Scheursterkte:wat het is, hoe het zich verhoudt tot 3D-printen en hoe het te meten

Scheursterkte is het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan bezwijken loodrecht op de uitgeoefende spanning. Dit wordt meestal getest door de kracht te meten die nodig is om een scheur te veroorzaken, terwijl die kracht wordt uitgeoefend op een onbelemmerd gebied dichtbij een klem die de materiaalrand vasthoudt.

Bij 3D-printen helpt scheursterkte bij het definiëren van structurele sterktevoordelen van bepaalde methoden voor 3D-printconstructie. Dit is met name relevant voor anisotrope constructiemethoden zoals FDM-printen. Anisotrope materialen hebben verschillende eigenschappen, afhankelijk van de modus en oriëntatie van het materiaal. Dit kan worden geïnterpreteerd als een “nerf” die lijkt op hout, waarbij krachten langs de nerf (d.w.z. in lijn met het bouwvlak en de primaire filamentrichting) veel beter worden weerstaan dan krachten die de filamenten uit elkaar trekken.

Scheursterktewaarden worden gemeten in Newton per mm of pondkracht per eenheidsdikte (lbf/in of N/mm) van het materiaalmonster. Hoewel de resultaten van verschillende testopstellingen niet direct vergelijkbaar zijn vanwege methodologische verschillen. Proefbanken houden een deel van de monsterrand in een vast vlak vast en klemmen een “vrije” rand dicht bij de klem vast. Hierdoor kan een belasting loodrecht op het monster worden uitgeoefend om een ​​scheur te veroorzaken. Sommige tests vereisen dat monsters een gladde rand hebben, andere gebruiken een gespecificeerde V-vormige inkeping als initiator, en weer andere gebruiken voor dit doel een gespecificeerde rechte snede. De gemeten waarde is de kracht die nodig is om alleen het scheuren te initiëren. 

In dit artikel wordt de definitie van de scheursterkte besproken, de relatie met 3D-printen, de formule ervan en hoe je deze kunt meten.

Wat is scheursterkte?

Scheursterkte is de weerstand van een materiaal tegen loodrecht falen. Scheuren is een cruciaal vermogen van veel materialen en wordt veroorzaakt door een kracht loodrecht op het vlak van het materiaal. Een uitgeoefende kracht die de scheursterkte overschrijdt, veroorzaakt een breuk in het vloeipunt waardoor het materiaal uiteenvalt langs de lijn waarop de kracht wordt uitgeoefend. Scheursterkte is over het algemeen nuttig als maatstaf voor het gedrag van niet-brosse materialen. Broze materialen scheuren niet, maar breken wanneer ze worden vervormd. De maatstaf wordt gebruikt om het vermogen van materialen te definiëren die aanzienlijk kunnen vervormen voordat ze bezwijken. Papier heeft een meetbare scheursterkte, terwijl glas dat niet heeft, omdat het bros faalt. Wat bruikbare metingen betreft, worden scheurtesten meestal uitgevoerd op plaatmaterialen zoals stoffen, papier/kaarten, flexibele kunststoffen en rubbers.

Wat heeft het meten van de scheursterkte te maken met 3D-printen?

Het meten van de scheursterkte heeft betrekking op 3D-printen, omdat het begrijpen van de scheurweerstandseigenschappen van de verschillende 3D-printtechnologieën en de oriëntatie van het onderdeel helpt bij het maken van prototypes die nuttig zijn voor actieve krachttests in plaats van alleen maar voor pasvorm en vorm. De selectie van het proces, het materiaaltype en de bouworiëntatie kunnen cruciale factoren zijn bij het bepalen van de geschiktheid van een 3D-geprint onderdeel voor het beoogde doel.

Onderdelen die moeten buigen of weerstand moeten bieden aan buiging, herhaaldelijke belastingscycli moeten ondergaan en complexe belastingscenario's moeten ondergaan, moeten worden gemaakt volgens een proces dat de vereiste prestaties levert. Waar flexibiliteit vereist is, zal een basis-SLA-onderdeel de neiging hebben onmiddellijk te breken. Een FDM-geprint onderdeel daarentegen dat zo is gebouwd dat de filamentrichting langs de buiglijn ligt (in plaats van er dwars of doorheen), zal beter presteren. Raadpleeg onze gids over 3D-printen voor meer informatie.

Wat is de formule voor scheursterkte?

De formule voor scheursterkte is:

Scheursterkte =F/t

Of de scheur nu is begonnen met een V-inkeping of een I-snede, of dat de rand glad en onbeschadigd is, er wordt een kracht gemeten die de scheur initieert. Die kracht (in N of lbf) wordt vervolgens gedeeld door de monsterdikte (in mm of inches) om een gestandaardiseerde maatstaf voor kracht/dikte-eenheid te verkrijgen.

Welke eenheid wordt gebruikt voor scheursterkte?

De scheursterkte wordt gemeten in Newton per mm of pound-force per inch (N/mm of lbf/inch).

Hoe scheursterkte testen?

Het testen van de scheursterkte wordt doorgaans uitgevoerd in een trekbank. Een monster wordt op de boven- en onderkaak van de testmachine geklemd. Het is zo georiënteerd dat de spanning wordt uitgeoefend als een scheurbeweging. Het meest voorkomende formaat maakt gebruik van de toepasselijk genaamde broekentest. De “benen” of een broekvorm worden in een vlak geklemd en getrokken alsof ze tijdens een gespleten houding worden gedragen. Het falen treedt op op het punt waar de “benen” van de broek samenkomen. Hierdoor wordt de materiaalrand uitgerekt of vervormd tot een verplaatste lijn (bij belasting tot minder dan het scheurpunt). De kracht wordt vervolgens stapsgewijs verhoogd totdat het scheuren begint bij de spanningsconcentrator.

Er worden drie vormen van randvoorbereiding gemaakt:een V-nick of I-nick om als initiator te fungeren, of de rand is glad en vormt een onbeschadigde curve waar de “benen” van het monster samenkomen. Deze tests zijn niet noodzakelijkerwijs met elkaar vergelijkbaar. De initiator zal waarschijnlijk resulteren in een veel lagere scheursterkte dan bij verder identieke monsters. De concentratie van spanning (kracht) vindt plaats bij veel lagere spanningsniveaus (extensie/verplaatsing).

Het testen van de scheursterkte wordt daarom beschouwd als een kwalitatieve test om de faalwijze aan te tonen in plaats van een waardevergelijkende test om nauwkeurige vergelijkingen van verschillende materialen mogelijk te maken. Het kan worden gebruikt voor kwalitatieve vergelijking van de krachtveerkracht van identiek gevormde/geteste materiaalmonsters. Kwantitatieve metingen in testmonsters zullen echter waarschijnlijk alleen kwalitatief informatie verschaffen over faalrisico's in reële omstandigheden, waar belastingstoepassingen zelden zo vereenvoudigd/ideaal zijn als die in een testlaboratorium.

Hoe scheursterkte meten?

Bij het uitvoeren van een test worden gewicht of verplaatsing en een krachtmeetmodule op de bewegende klem aangebracht. De kracht waarbij het scheuren begint, is de resulterende testmeting. De vormen van de monsters en de sneden van de initiator variëren, maar alle monsters zijn zo gerangschikt dat een eenvoudige trekbelasting een scheurkracht uitoefent op een vooraf bepaald punt in het monster.

Wat zijn de normen van ASTM International om de scheursterkte van verschillende materialen te meten?

ASTM D264 is de Amerikaanse teststandaard voor scheurbestendigheid en specificeert vijf monstertypen:A (halve maan, met een scheermes ingekerfd), B (Winkelmann), C (Graves), T (broekscheur)/ASTM D470 en CP (broekscheur met beperkt pad). Voor testmonsters van type A, B of C is de gemeten waarde van de scheursterkte eenvoudigweg de kracht (om scheuring te initiëren) gedeeld door de monsterdikte. Voor specimentypen T of CP is de gemeten waarde de gemiddelde of mediaankracht die op de curve wordt uitgeoefend, gedeeld door de dikte van het specimen.

ISO 34-1 is in principe direct vergelijkbaar, maar verschilt op een aantal belangrijke details waardoor de twee testnormen zeer moeilijk direct te vergelijken zijn, zelfs voor identieke materialen.

Raadpleeg onze volledige gids over ASTM International voor meer informatie.

Wat zijn voorbeelden van scheursterkte van verschillende materialen?

1. Scheursterkte van stof

Stoffen zijn materialen die worden geproduceerd door materialen zoals wol, nylon en katoen met elkaar te weven. Katoenen stoffen variëren sterk in scheursterkte, afhankelijk van het basismateriaal en de uitgeoefende kracht.

2. Scheursterkte van rubber

De waarden voor verschillende rubbermaterialen zijn:natuurrubber (23,95 +/-1,85 kN/m), nitrilrubber (9,14 +/-1,54 kN/m), styreen-butadieenrubber (4,88 +/-0,47 kN/m) en EPDM-rubber (7,27 +/-0,86 kN/m).

3. Scheursterkte van kunststof

De scheursterktewaarden voor kunststoffen variëren, afhankelijk van de rekoriëntatie, variaties in polymeereigenschappen en de ruime beschikbaarheid van polymeertypen. Resultaten zijn doorgaans alleen van belang bij filmmaterialen die onderhevig zijn aan productie- of gebruiksstress. Polymeerfilms worden ook vaak getest met behulp van ASTM D1922, de Elmendorf-scheursterktetest (resultaten in grammen). Een modale HDPE heeft bijvoorbeeld een Elmendorf-scheursterkte van 120 g MD (machinerichting) en 24 g TD (dwarsrichting). LDPE daarentegen heeft een Elmendorf-scheursterkte van 320 g MD en 170 g TD.

Wat zijn de soorten materialen met een hoge scheurweerstand?

In stoffen hebben synthetische vezels een hogere scheurweerstand. Kevlar® en nylon zijn goede voorbeelden van extreme scheursterkte in flexibele vezels. Parachutematerialen zijn gemaakt van fijngeweven nylon vanwege de ernstige gevolgen van catastrofaal falen. Militaire kogelvrije vesten en motorpantsers zijn over het algemeen kevlar®, waarbij de combinatie van lage elasticiteit en enorme trekweerstand zorgt voor stijvere maar stevigere stoffen.

Bij elastomeren komt de hoogste scheursterkte van natuurlijke rubbers en verbindingen die deze bevatten. Dit komt door de zeer hoge rek bij breuk van natuurlijk (gevulkaniseerd) rubber. De balans tussen eigenschappen is echter bij veel toepassingen in het voordeel van synthetische rubbers, die over het algemeen stijver en duurzamer zijn.

Wat zijn de soorten materialen met een lage scheurweerstand?

Enkele voorbeelden van materialen met een lage scheurweerstand zijn:papier, PVC-films, thermoplastische rubbers, siliconenrubbers en stoffen van natuurlijke vezels.

Wat is de traanopbrengstverhouding?

De scheurvloeiverhouding is een maatstaf voor het vermogen dat een materiaal vertoont in elastische en plastische vervorming voorafgaand aan het scheuren. Materialen die onder belasting elastisch vervormen, zullen zich bijvoorbeeld herstellen wanneer de belasting wordt verwijderd. Als de elastische limiet wordt overschreden en er plastische vervorming optreedt, zal er enig herstel optreden bij het lossen. Als het materiaal snel scheurt nadat het vloeipunt is bereikt, is herstel niet mogelijk. Een hoge scheurvloeiverhouding duidt op een materiaal dat gevoelig is voor defecten bij overbelasting in de scheurmodus.

Wat is de gemiddelde scheursterktemeting die goed is voor 3D-printen?

De gemiddelde scheursterktemeting die bij 3D-printen als goed wordt beschouwd, is afhankelijk van de toepassing. De absolute scheurbestendigheid van het inheemse materiaal dat in de print wordt gebruikt, kan de gebruiker helpen de geselecteerde printtechnologie en het geselecteerde materiaal te beoordelen. Veel 3D-geprinte materialen zijn zowel relatief zwak als broos. De scheursterkte kan helpen bij het begrijpen van het materiaalgedrag onder belasting. De relatieve scheursterkte van modellen die in verschillende machinerichtingen zijn gebouwd, kan aanzienlijk variëren. Waar de scheurdreiging langs een primaire vezelrichting loopt, zal het materiaal zwak zijn. Bij FDM met dunne doorsnede zijn de filamenten bijvoorbeeld sterker over hun lengte dan onder een hoek van 90° ten opzichte van die as. Het selecteren van de optimale bouworiëntatie kan een aanzienlijk effect hebben op de functionele eigenschappen.