引き裂き強度:引裂強度とは何か、3D プリントとの関係、および測定方法

引裂強度は、加えられる応力に対して垂直方向の破壊に抵抗する材料の能力です。これは通常、材料の端を保持しているクランプに近い拘束されていない領域に力を加えながら、引き裂きを開始するのに必要な力を測定することによってテストされます。

3D プリントでは、引き裂き強度は、3D プリント構築の特定の方法の構造強度の利点を定義するのに役立ちます。これは、FDM 印刷などの異方性構築方法に特に関係します。異方性材料は、材料のモードと方向に応じて異なる特性を持ちます。これは、木材に似た「木目」として解釈できます。木目に沿った力（つまり、構築面と主なフィラメントの方向に沿った力）は、フィラメントを互いに引き離す力よりもはるかによく抵抗されます。

引裂強度の値は、材料サンプルの mm あたりのニュートンまたは単位厚さあたりのポンド力 (lbf/in または N/mm) で測定されます。ただし、方法論が異なるため、異なるテスト設定からの結果を直接比較することはできません。テストリグはサンプルのエッジの一部を固定面に拘束し、拘束の近くに「自由」エッジをクランプします。これにより、サンプルに垂直に荷重を加えて引裂きを引き起こすことができます。一部のテストではサンプルのエッジが滑らかであることが必要であり、その他のテストでは開始剤として指定された V カット ニックが使用され、その他のテストではこの目的のために指定されたストレート カットが使用されます。測定値は引き裂きを開始するのに必要な力のみです。 

この記事では、引き裂き強度の定義、3D プリントとの関係、計算式、およびその測定方法について説明します。

引裂強度とは何ですか?

引裂強度は、垂直方向の破壊に対する材料の抵抗です。引き裂きは多くの材料が持つ重要な能力であり、材料の平面に垂直な力によって引き起こされます。引き裂き強度を超える力が加えられると、力が加わった線に沿って材料が裂ける降伏点破壊が発生します。引裂強さは一般に、非脆性材料の挙動の尺度として役立ちます。脆性材料は引き裂くことはありませんが、歪ませると破壊されます。この尺度は、破損する前に大幅に変形する可能性がある材料の能力を定義するために使用されます。紙には測定可能な引き裂き強度がありますが、ガラスは脆性破壊を受けるため測定できません。有用な測定の観点から、引裂き試験は通常、布地、紙/カード、柔軟なプラスチック、ゴムなどのシート素材に対して実行されます。

引き裂き強度の測定は 3D プリントにどのような関係がありますか?

引き裂き強度の測定は、さまざまな 3D プリント技術の引き裂き抵抗特性と部品の方向を理解することで、単にフィット感や形状だけでなく、アクティブな力のテストに役立つプロトタイプを作成するのに役立つという点で、3D プリントに関連しています。プロセス、材料の種類、構築方向の選択は、3D プリント部品が意図された目的に適しているかどうかを判断する上で重要な要素となる可能性があります。

曲げたり、曲げに耐えたり、荷重サイクルを繰り返したり、複雑な荷重シナリオに耐えたりする必要がある部品は、必要な性能を発揮するプロセスで製造する必要があります。柔軟性が必要な場合、基本的な SLA パーツはすぐに破損する傾向があります。一方、フィラメントの方向が曲げ線に沿って (曲げ線を横切ったり貫通したりするのではなく) なるように作成された FDM 印刷部品のパフォーマンスは向上します。詳細については、3D プリントのガイドを参照してください。

引裂強度の公式は何ですか?

引き裂き強度の計算式は次のとおりです。

引裂強度 =F/t

引き裂きが V ニックまたは I カットで事前に開始されているか、またはエッジが滑らかで損傷していない場合、引き裂きを開始する力が測定されます。次に、その力 (N または lbf 単位) をサンプルの厚さ (mm またはインチ単位) で割って、力/単位厚さの標準化された測定値を求めます。

引裂強度に使用される単位は何ですか?

引裂強度は、ニュートン/mm またはポンド力/インチ (N/mm または lbf/インチ) で測定されます。

引裂強度をテストするには?

引裂強度の試験は通常、引張試験装置で行われます。サンプルは試験機の上顎と下顎にクランプされます。応力が引裂き動作として適用されるように方向付けされています。最も一般的な形式は、適切な名前のズボン テストを使用します。 「脚」またはズボンの形状は平面でクランプされ、まるで開脚姿勢で着用されているかのように引っ張られます。ズボンの「脚」が接する部分で破損が発生します。これにより、材料のエッジが引き伸ばされるか、変位した線に変形されます (引裂き点未満に負荷がかかった場合)。次に、応力集中部で引き裂きが始まるまで、力を段階的に増加させます。

3 つの形式のエッジ処理が行われます。開始剤として機能する V ニックまたは I ニック、またはエッジが滑らかで、サンプルの「脚」が交わる場所で損傷のない曲線を形成します。これらのテストは必ずしも相互に比較できるわけではありません。開始剤を使用すると、それ以外は同一のサンプルよりも引き裂き強度が大幅に低下する可能性があります。応力 (力) の集中は、はるかに低いひずみ (伸長/変位) レベルで発生します。

したがって、引裂強度試験は、さまざまな材料の正確な比較を可能にする値比較試験ではなく、破損モードを実証するための定性試験とみなされます。定性的な比較に使用できます。 同一形状/試験済みの材料サンプルの力弾性。ただし、テスト サンプルの定量的測定は、負荷の適用がテスト ラボの場合ほど単純化/理想的であることはほとんどないため、現実の状況における故障リスクについては定性的にしか情報を提供しない可能性があります。

引裂強度の測定方法

テストを実行する際には、重量または変位のいずれか、および力測定モジュールが可動クランプに適用されます。引き裂きが開始される力は、結果として得られる試験測定値です。サンプルの形状と開始剤のカットは異なりますが、すべてのサンプルは、単純な引張荷重によってサンプル内の所定の点に引裂き力がかかるように配置されています。

さまざまな材料の引裂強度を測定するための ASTM 国際規格とは何ですか?

ASTM D264 は引裂き弾性に関する米国の試験規格であり、A (三日月、カミソリ傷)、B (ウィンケルマン)、C (グレーブス)、T (ズボンの引き裂き)/ASTM D470、および CP (制約された経路のズボンの引き裂き) の 5 つのサンプル タイプを指定しています。試験片タイプ A、B、または C の場合、引裂強度の測定値は、単純に (引裂きを開始するための) 力をサンプルの厚さで割った値です。試験片タイプ T または CP の場合、測定値は、曲線に加えられる力の平均値または中央値を試験片の厚さで割った値です。

ISO 34-1 は原理的には直接比較できますが、多くの重要な詳細が異なるため、同じ材料であっても 2 つの試験規格を直接比較するのは非常に困難です。

詳細については、ASTM International に関する完全なガイドをご覧ください。

さまざまな材料の引裂強度の例は何ですか?

1.生地の引き裂き強度

ファブリックとは、ウール、ナイロン、コットンなどの素材を織り合わせて作られた素材のことです。綿生地の引き裂き強度は、基材と加えられる力に応じて大きく異なります。

2.ゴムの引裂強度

さまざまなゴム材料の値は次のとおりです:天然ゴム (23.95 +/-1.85 kN/m)、ニトリルゴム (9.14 +/-1.54 kN/m)、スチレンブタジエンゴム (4.88 +/-0.47 kN/m)、EPDM ゴム (7.27 +/-0.86 kN/m)。

3.プラスチックの引裂強度

プラスチックの引き裂き強度の値は、伸び方向、ポリマー特性の変化、および幅広い種類のポリマーの入手可能性によって異なります。通常、結果は、製造または使用によるストレスを受けるフィルム材料のみに関係します。ポリマーフィルムは、ASTM D1922、エルメンドルフ引裂強度試験を使用して試験される傾向もあります (結果はグラム単位)。たとえば、モーダル HDPE のエルメンドルフ引裂強度は、MD (機械方向) 120g、TD (横方向) 24g です。一方、LDPE のエルメンドルフ引裂強度は 320g MD、170g TD です。

引き裂き強度の高い素材にはどのような種類がありますか?

布地では、合成繊維の方が引き裂き強度が高くなります。 Kevlar® とナイロンは、柔軟な繊維の優れた引裂弾性の良い例です。パラシュートの素材は、壊滅的な故障の深刻な結果を考慮して、目の細かいナイロンで作られています。軍用の防弾チョッキやオートバイの防具は一般にケブラー® であり、低い弾性と大きな引張抵抗の組み合わせにより、より硬くて丈夫な生地が作られています。

エラストマーの中で最も高い引き裂き弾性は、天然ゴムおよびそれを含む化合物から得られます。これは、天然 (加硫) ゴムの破断点伸びが非常に高いためです。ただし、特性のバランスにより、多くの用途では合成ゴムのほうが有利であり、一般に合成ゴムの方が硬く、耐久性に優れています。

引き裂き抵抗が低い素材の種類は何ですか?

引き裂き強度が低い素材の例としては、紙、PVC フィルム、熱可塑性ゴム、シリコーンゴム、天然繊維織物などがあります。

引裂き降伏比とは何ですか?

引裂き降伏比は、材料が引裂く前に弾性および塑性歪みを示す能力の尺度です。たとえば、負荷がかかると弾性的に変形する材料は、負荷を取り除くと元に戻ります。弾性限界を超えて塑性変形が発生した場合、除荷時にある程度の回復が生じます。降伏点に達してすぐに材料が破れた場合、回復することはできません。高い引裂き降伏比は、材料が引裂きモードで過負荷がかかったときに破損しやすいことを示します。

3D プリントに適した平均引裂強度測定とは何ですか?

3D プリントで良好とみなされる平均引裂強度測定は、用途によって異なります。印刷に使用される天然素材の絶対的な引き裂き弾性は、ユーザーが選択した印刷技術と素材を評価するのに役立ちます。多くの 3D プリント素材は比較的弱く脆いものです。引裂き強度は、荷重を受けた材料の挙動を理解するのに役立ちます。さまざまな機械方向で構築されたモデルの相対的な引裂強度は大きく異なる場合があります。引き裂きの脅威が主な結晶粒方向に沿って発生する場合、材料は弱くなります。たとえば、薄切片 FDM では、フィラメントは軸に対して 90° の方向よりもその長さに沿って強くなります。最適なビルド方向を選択すると、機能特性に大きな影響を与える可能性があります。