Resistência ao rasgo:o que é, como se relaciona com a impressão 3D e como medi-la

A resistência ao rasgo é a capacidade de um material de resistir à falha perpendicular à tensão aplicada. Isso geralmente é testado medindo-se a força necessária para iniciar um rasgo, enquanto essa força é aplicada a uma área não restringida próxima a uma braçadeira que retém a borda do material.

Na impressão 3D, a resistência ao rasgo ajuda a definir as vantagens de resistência estrutural de métodos específicos de construção de impressão 3D. Isto é particularmente relevante para métodos de construção anisotrópicos, como a impressão FDM. Os materiais anisotrópicos têm propriedades diferentes dependendo do modo e da orientação do material. Isto pode ser interpretado como um “grão” semelhante à madeira, onde as forças ao longo do grão (ou seja, alinhadas com o plano de construção e a direção do filamento primário) são muito melhor resistidas do que aquelas que separam os filamentos uns dos outros.

Os valores de resistência ao rasgo são medidos em newtons por mm ou libras-força por unidade de espessura (lbf/in ou N/mm) da amostra de material. Embora os resultados de diferentes configurações de teste não sejam diretamente comparáveis, devido a diferenças metodológicas. Os equipamentos de teste restringem uma parte da borda da amostra em um plano fixo e prendem uma borda “livre” próxima à restrição. Isto permite que uma carga seja aplicada perpendicularmente à amostra para induzir um rasgo. Alguns testes exigem que as amostras tenham uma borda lisa, outros usam um corte em V específico como iniciador e outros usam um corte reto especificado para essa finalidade. O valor medido é a força necessária apenas para iniciar o rasgo. 

Este artigo discutirá a definição de resistência ao rasgo, sua relação com a impressão 3D, sua fórmula e como medi-la.

O que é resistência ao rasgo?

A resistência ao rasgo é a resistência de um material a uma falha perpendicular. O rasgo é uma habilidade crítica que muitos materiais possuem e é causado por uma força perpendicular ao plano do material. Uma força aplicada que excede a resistência ao rasgo causa uma falha no ponto de escoamento que separa o material ao longo da linha de aplicação da força. A resistência ao rasgo é geralmente útil como medida do comportamento de materiais não frágeis. Materiais frágeis não rasgam, mas fraturam quando distorcidos. A medida é usada para definir a capacidade dos materiais que podem distorcer significativamente antes da falha. O papel tem uma resistência ao rasgo mensurável, enquanto o vidro não, pois sofre uma falha frágil. Em termos de medições úteis, o teste de rasgo geralmente é realizado em materiais em folha, como tecidos, papéis/cartões, plásticos flexíveis e borrachas.

Como a medição da resistência ao rasgo se relaciona com a impressão 3D?

A medição da resistência ao rasgo está relacionada à impressão 3D, pois a compreensão das propriedades de resistência ao rasgo das diversas tecnologias de impressão 3D e a orientação da peça ajuda a criar protótipos que são úteis para testes de força ativa, em vez de simplesmente para ajuste e formato. A seleção do processo, tipo de material e orientação de construção podem ser fatores críticos para determinar a adequação de uma peça impressa em 3D para a finalidade pretendida.

Peças que devem flexionar ou resistir à flexão, sofrer ciclos repetidos de carregamento e passar por cenários de carga complexos devem ser fabricadas por um processo que forneça o desempenho exigido. Onde for necessária flexibilidade, uma peça básica do SLA tenderá a fraturar imediatamente. Uma peça impressa em FDM, por outro lado, que foi construída de forma que a direção do filamento fique ao longo da linha de dobra (em vez de através dela ou através dela) terá melhor desempenho. Para obter mais informações, consulte nosso guia de impressão 3D.

Qual é a fórmula para resistência ao rasgo?

A fórmula para resistência ao rasgo é:

Resistência ao rasgo =F/t

Quer o rasgo seja pré-iniciado com um corte em V ou em I, ou se a borda estiver lisa e sem danos, será medida uma força que inicia o rasgo. Essa força (em N ou lbf) é então dividida pela espessura da amostra (em mm ou polegadas) para fornecer uma medida padronizada de força/unidade de espessura.

Qual é a unidade usada para resistência ao rasgo?

A resistência ao rasgo é medida em newtons por mm ou libra-força por polegada (N/mm ou lbf/polegada).

Como testar a resistência ao rasgo?

O teste de resistência ao rasgo é geralmente realizado em uma bancada de teste de tração. Uma amostra é fixada nas mandíbulas superior e inferior da máquina de teste. É orientado de tal forma que a tensão é aplicada como um movimento de ruptura. O formato mais comum usa o teste de calças apropriadamente chamado. As “pernas” ou formato de calça são presas em um plano e puxadas como se fossem usadas durante uma postura de abertura. A falha ocorre no ponto onde as “pernas” das calças se encontram. Isso estica ou deforma a borda do material em uma linha deslocada (quando carregado abaixo do ponto de ruptura). A força é então aumentada em etapas até que o rompimento comece no concentrador de tensão.

São feitas três formas de preparação da borda:um corte em V ou em I para atuar como iniciador, ou a borda é lisa e forma uma curva não danificada onde as “pernas” da amostra se encontram. Esses testes não são necessariamente comparáveis ​​entre si. É provável que o iniciador resulte numa resistência ao rasgamento muito menor do que amostras idênticas. A concentração de tensão (força) ocorre em níveis de deformação (extensão/deslocamento) muito mais baixos.

O teste de resistência ao rasgo é, portanto, considerado um teste qualitativo para demonstrar o modo de falha, em vez de um teste comparativo de valor para permitir comparações precisas de vários materiais. Pode ser usado para comparação qualitativa da resiliência à força de amostras de materiais com formato/testados idênticos. No entanto, as medidas quantitativas em amostras de teste provavelmente informarão apenas qualitativamente sobre os riscos de falha em condições do mundo real, onde as aplicações de carga raramente são tão simplificadas/ideais como aquelas em um laboratório de testes.

Como medir a resistência ao rasgo?

Ao realizar um teste, o peso ou o deslocamento e um módulo de medição de força são aplicados ao grampo móvel. A força na qual o rasgo é iniciado é a medição de teste resultante. Os formatos das amostras e os cortes do iniciador variam, mas todas as amostras são dispostas de modo que uma simples carga de tração aplique uma força de ruptura em um ponto predeterminado da amostra.

Quais são os padrões da ASTM International para medir a resistência ao rasgo de diferentes materiais?

ASTM D264 é o padrão de teste dos EUA para resiliência ao rasgo e especifica cinco tipos de amostra:A (crescente, corte de navalha), B (Winkelmann), C (Sepulturas), T (rasgo nas calças)/ASTM D470 e CP (rasgo nas calças com caminho restrito). Para amostras de teste dos tipos A, B ou C, o valor medido da resistência ao rasgo é simplesmente a força (para iniciar o rasgo) dividida pela espessura da amostra. Para amostras dos tipos T ou CP, o valor medido é a força média ou mediana aplicada na curva dividida pela espessura da amostra.

A ISO 34-1 é diretamente comparável em princípio, mas difere em vários detalhes importantes que tornam os dois padrões de teste muito difíceis de comparar diretamente, mesmo para materiais idênticos.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre ASTM International.

Quais são os exemplos de resistência ao rasgo de diferentes materiais?

1. Resistência ao rasgo do tecido

Tecidos são materiais produzidos pela tecelagem de materiais como lã, náilon e algodão. Os tecidos de algodão variam amplamente em termos de resistência ao rasgo, dependendo do material de base e da força aplicada.

2. Resistência ao rasgo da borracha

Os valores para vários materiais de borracha são:borracha natural (23,95 +/- 1,85 kN/m), borracha nitrílica (9,14 +/- 1,54 kN/m), borracha de estireno-butadieno (4,88 +/- 0,47 kN/m) e borracha EPDM (7,27 +/- 0,86 kN/m).

3. Resistência ao rasgo do plástico

Os valores de resistência ao rasgo para plásticos variam, dependendo da orientação de alongamento, das variações das propriedades do polímero e da ampla disponibilidade de tipos de polímeros. Os resultados geralmente são de interesse apenas em materiais de filme que estarão sujeitos a tensões de fabricação ou uso. Os filmes de polímero também tendem a ser testados usando ASTM D1922, o teste de resistência ao rasgo de Elmendorf (resultados em gramas). Por exemplo, um HDPE modal tem uma resistência ao rasgo Elmendorf de 120g MD (direção da máquina) e 24g TD (direção transversal). O LDPE, por outro lado, tem uma resistência ao rasgo Elmendorf de 320g MD e 170g TD.

Quais são os tipos de materiais com alta resistência ao rasgo?

Nos tecidos, as fibras sintéticas apresentam maior resistência ao rasgo. Kevlar® e náilon são bons exemplos de extrema resiliência ao rasgo em fibras flexíveis. Os materiais dos pára-quedas são feitos de náilon de tecido fino devido às graves consequências de falhas catastróficas. Os coletes à prova de balas militares e os coletes para motociclistas são geralmente kevlar®, nos quais a combinação de baixa elasticidade e enorme resistência à tração resulta em tecidos mais rígidos, porém resistentes.

Nos elastômeros, a maior resiliência ao rasgo vem das borrachas naturais e dos compostos que as contêm. Isto é resultado do alongamento muito elevado na ruptura da borracha natural (vulcanizada). No entanto, o equilíbrio de propriedades favorece as borrachas sintéticas em muitas aplicações, que são geralmente mais rígidas e duráveis.

Quais são os tipos de materiais com baixa resistência ao rasgo?

Alguns exemplos de materiais com baixa resistência ao rasgo são:papel, filmes de PVC, borrachas termoplásticas, borrachas de silicone e tecidos de fibras naturais.

O que é a taxa de rendimento de rasgo?

A taxa de rendimento de rasgo é uma medida da capacidade que um material apresenta em distorção elástica e plástica antes do rasgo. Por exemplo, materiais que distorcem elasticamente sob carga recuperarão quando a carga for removida. Se o limite elástico for excedido e ocorrer deformação plástica, haverá alguma recuperação quando descarregado. Se o material rasgar logo após o limite de escoamento ser atingido, a recuperação não será possível. Uma alta taxa de rendimento de rasgo indica um material que está sujeito a falhas quando sobrecarregado no modo de rasgo.

Qual é a medida média de resistência ao rasgo adequada para impressão 3D?

A medição média da resistência ao rasgo considerada boa na impressão 3D depende da aplicação. A resiliência absoluta ao rasgo do material nativo usado na impressão pode ajudar o usuário a avaliar a tecnologia e o material de impressão selecionados. Muitos materiais impressos em 3D são relativamente fracos e quebradiços. A resistência ao rasgo pode ajudar na compreensão do comportamento do material sob carga. As resistências relativas ao rasgo de modelos construídos em diversas orientações de máquina podem variar significativamente. Onde a ameaça de ruptura ocorrer ao longo de uma direção de grão primário, o material será fraco. No FDM de seção fina, por exemplo, os filamentos são mais fortes ao longo de seu comprimento do que a 90° em relação a esse eixo. A seleção da orientação de construção ideal pode ter um efeito significativo nas propriedades funcionais.