引き裂き強さとは？ 3Dプリントとの関係と測定方法を解説

引き裂き強さとは、材料が加えられる応力に垂直な方向で破壊に抵抗する能力です。通常、材料端部をクランプで保持し、その近くの自由端に垂直な力を加えて引き裂きを開始させるのに必要な力を測定します。

3Dプリントにおいて、引き裂き強さは特定の造形方式の構造的強度優位性を定義するのに役立ちます。特にFDM造形のような異方性造形法で重要です。異方性材料は、材料のモードと配向によって異なる特性を示します。これは木材の「木目」に似ており、木目方向（ビルド面内、主フィラメント方向に沿った力）は、フィラメント同士を引き離す方向の力よりもはるかに強く抵抗します。

引き裂き強さの単位は、ニュートン/ミリメートル、またはポンド力/単位厚さ（lbf/in、N/mm）です。ただし、テスト方法の違いにより、異なるテストセットアップの結果は直接比較できません。テストリグは試験片端部の一部を固定平面で拘束し、「自由」端を拘束部近くでクランプします。これにより試験片に垂直な荷重をかけて引き裂きを誘発します。試験によっては滑らかなエッジを要求するもの、指定されたV字ノッチを起点とするもの、指定された直線切り込みを用いるものがあります。測定値は引き裂き開始に必要な力のみです。

本記事では、引き裂き強さの定義、3Dプリントとの関係、計算式、測定方法を解説します。

引き裂き強さとは？

引き裂き強さは、材料の垂直方向破壊に対する抵抗です。引き裂きは多くの材料が持つ重要な能力で、材料平面に垂直な力によって引き起こされます。引き裂き強さを超える力が加わると、力の作用線に沿って材料が降伏点破壊で分離します。引き裂き強さは一般的に、破壊前に大きく変形できる非脆性材料の挙動指標として有用です。脆性材料は変形時に引き裂きではなく破断します。有用な測定対象は、布、紙/厚紙、柔軟なプラスチック、ゴムなどのシート材料です。紙には測定可能な引き裂き強さがありますが、ガラスは脆性破壊を起こすためありません。

引き裂き強さ測定と3Dプリントの関係

引き裂き強さ測定が3Dプリントに関係するのは、各造形技術の引き裂き抵抗特性と部品配向を理解することで、単なるフィット確認や形状確認だけでなく、実際の荷重試験に耐える試作が可能になるからです。プロセス選択、材料タイプ、造形配向は、3Dプリント部品が意図した目的に適するかを決める重要な要因です。

曲げたり曲げに抵抗したり、繰り返し荷重サイクルを受け、複雑な荷重シナリオを経験する部品は、必要な性能を発揮するプロセスで造形しなければなりません。柔軟性が必要な場合、基本的なSLA部品は即座に破断しがちです。一方、フィラメント方向が曲げ線に沿うよう造形されたFDM部品（直交方向や貫通方向でない）なら、より良い性能を発揮します。詳細は3Dプリントガイドをご覧ください。

引き裂き強さの計算式

引き裂き強さの式は：

引き裂き強さ = F / t

V字ノッチまたはI字切り込みで予め起点を作るか、滑らかな無傷のエッジかにかかわらず、引き裂きを開始させる力（Nまたはlbf）が測定され、その力を試験片厚さ（mmまたはインチ）で割って、単位厚さあたりの力として標準化します。

引き裂き強さの単位

引き裂き強さの単位は、ニュートン/ミリメートルまたはポンド力/インチ（N/mm、lbf/inch）です。

引き裂き強さの試験方法

引き裂き強さ試験は一般的に引張試験機で行います。試験片を試験機の上下ジョーズにクランプし、引き裂きモーションで応力がかかるよう配向します。最も一般的なのは「トラウザーテスト」です。「ズボンの脚」にあたる部分を平面でクランプし、開脚姿勢のように引っ張ります。破壊は「脚」が接する点で起こります。これにより材料エッジが変位線に伸びたり変形したりします（引き裂き点未満の荷重では）。その後、応力集中部で引き裂きが始まるまで段階的に力を増やします。

エッジ準備は3種類：起点となるV字ノッチまたはI字ノッチ、または「脚」が接する部分で滑らかな無傷の曲線エッジ。これらの試験は必ずしも相互比較可能ではありません。起点がある場合、同一試験片でも引き裂き強さは大幅に低くなります。応力集中が、はるかに低いひずみ（伸び/変位）レベルで発生するためです。

したがって引き裂き強さ試験は、精密な材料比較のための定量的試験ではなく、破壊モードを示す定性的試験と見なされます。ただし、同形状・同条件で試験された試験片同士なら、力のレジリエンスを定性的に「比較」することは可能です。しかし、定量的な試験片数値は、現実世界では荷重条件が試験室ほど単純/理想的でないため、定性的にしか破壊リスクを示唆しません。

引き裂き強さの測定手順

試験では、可動クランプに重りまたは変位と力測定モジュールを適用します。引き裂きが開始した時点での力が試験測定値になります。試験片形状と起点切り込みは様々ですが、すべて単純な引張荷重が試験片の所定位置で引き裂き力として作用するよう配置されます。

ASTM Internationalによる引き裂き強さ測定規格

ASTM D264は米国の引き裂きレジリエンス試験規格で、5つの試験片タイプを規定：A型（三日月形、カミソリノッチ）、B型（ヴィンケルマン）、C型（グレーブス）、T型（トラウザー引き裂き）/ASTM D470、CP型（拘束パストラウザー引き裂き）。A、B、C型では、引き裂き強さは単純に「引き裂き開始力 ÷ 試験片厚さ」で求めます。T型またはCP型では、曲線上の平均または中央値の力を試験片厚さで割った値が測定値です。

ISO 34-1は原則として直接比較可能ですが、主要な詳細点で異なるため、同一材料でも2規格の直接比較は非常に困難です。

詳細はASTM Internationalの完全ガイドをご覧ください。

さまざまな材料の引き裂き強さ例

1. 繊維の引き裂き強さ

繊維はウール、ナイロン、綿などを織って作られる材料です。綿繊維の引き裂き強さは、基材と加わる力によって大きく異なります。

2. ゴムの引き裂き強さ

各種ゴム材料の値：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. プラスチックの引き裂き強さ

プラスチックの引き裂き強さは、伸長配向、ポリマー特性のばらつき、ポリマー種類の多様性により変動します。製造や使用応力を受けるフィルム材料で主に問題になります。ポリマーフィルムはASTM D1922（エルメンドルフ引き裂き試験、単位：グラム）で試験されることが多いです。例えば、典型的なHDPEはMD（機械方向）120g、TD（横方向）24g。一方LDPEはMD 320g、TD 170gです。

引き裂き耐性が高い材料タイプ

繊維では合成繊維が高い引き裂き耐性を持ちます。ケブラー®とナイロンは柔軟繊維における極めて高い引き裂きレジリエンスの好例です。パラシュート材料は、壊滅的故障の帰結が深刻なため、細く織ったナイロン製です。軍用ボディアーマーとバイク用アーマーは一般にケブラー®で、低弾性と巨大な引張抵抗の組み合わせにより、より剛性が高くタフな繊維になります。

エラストマーでは、天然ゴムとそれを含むコンパウンドが最も高い引き裂きレジリエンスを示します。これは天然（加硫）ゴムの破断伸びが非常に大きいためです。しかし多くの用途では、一般的により剛性があり耐久性のある合成ゴムが特性バランスで選ばれます。

引き裂き耐性が低い材料タイプ

引き裂き耐性が低い材料の例：紙、PVCフィルム、熱可塑性ゴム、シリコーンゴム、天然繊維繊維。

引き裂き-降伏比とは？

引き裂き-降伏比は、材料が引き裂き前に示す弾性・塑性変形能力の尺度です。例えば、荷重下で弾性変形する材料は、荷重除去時に回復します。弾性限界を超えて塑性変形が起これば、アンロード時にある程度回復します。降伏点到達直後に引き裂きが起これば、回復は不可能です。引き裂き-降伏比が高いことは、引き裂きモードで過負荷時に破壊しやすい材料であることを示します。

3Dプリントで「良い」とされる平均引き裂き強さ測定値は？

3Dプリントで「良い」とされる平均引き裂き強さは用途によります。プリントに用いるネイティブ材料の絶対的な引き裂きレジリエンスを知ることで、選択した造形技術と材料を評価できます。多くの3Dプリント材料は比較的弱く脆いです。引き裂き強さを知ることで、荷重下での材料挙動を理解できます。造形配向によってモデルの相対的な引き裂き強さは大きく変わります。引き裂き脅威が主木目方向に沿う場合、材料は弱くなります。薄肉FDMでは、フィラメントは長手方向よりもそれに直角な軸で弱くなります。最適な造形配向を選ぶことで、機能特性に大きな影響を与えられます。