Resistência ao Rasgo: O Que É, Como Se Relaciona à Impressão 3D e Como Medir

A resistência ao rasgo é a capacidade de um material resistir à falha perpendicular ao esforço aplicado. Geralmente é testada medindo a força necessária para iniciar um rasgo, enquanto essa força é aplicada a uma área não restringida próxima a uma garra que retém a borda do material.

Na impressão 3D, a resistência ao rasgo ajuda a definir as vantagens de resistência estrutural de métodos particulares de construção de impressão 3D. Isso é particularmente relevante para métodos de construção anisotrópicos, como impressão FDM. Materiais anisotrópicos têm propriedades diferentes dependendo do modo e orientação do material. Isso pode ser interpretado como um "veio" semelhante à madeira, onde forças ao longo do veio (ou seja, alinhadas com o plano de construção e a direção primária do filamento) são muito melhor resistidas do que aquelas que puxam os filamentos para longe 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 do material. Embora, resultados de diferentes configurações de teste não sejam diretamente comparáveis, devido a diferenças metodológicas. Equipamentos de teste restringem uma parte da borda da amostra em um plano fixo e prendem uma borda "livre" próxima à restrição. Isso 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 entalhe em V especificado como iniciador, e outros usam um corte reto especificado para este propósito. O valor medido é a força necessária para iniciar o rasgo apenas.

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 capacidade 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 de materiais que podem se 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 é geralmente realizado em materiais em folha, como tecidos, papéis/cartões, plásticos flexíveis e borrachas.

Como Medir a Resistência ao Rasgo se Relaciona à Impressão 3D?

Medir a resistência ao rasgo se relaciona à impressão 3D no sentido de que entender as propriedades de resistência ao rasgo das várias tecnologias de impressão 3D e a orientação da peça ajuda a fazer protótipos que são úteis para testes de força ativa, em vez de apenas para ajuste e forma. A seleção do processo, tipo de material e orientação de construção podem ser fatores críticos na determinação da adequação de uma peça impressa em 3D para o propósito pretendido.

Peças que devem flexionar ou resistir à flexão, sofrer ciclos repetidos de carga e passar por cenários de carga complexos devem ser feitas por um processo que forneça o desempenho requerido. Onde a flexibilidade é necessária, uma peça SLA básica tenderá a fraturar imediatamente. Uma peça impressa em FDM, por outro lado, que foi construída de forma que a direção do filamento esteja ao longo da linha de flexão (em vez de atravessá-la ou atravessá-la) terá melhor desempenho. Para mais informações, consulte nosso guia sobre Impressão 3D.

Qual é a Fórmula para Resistência ao Rasgo?

A fórmula para resistência ao rasgo é:

Resistência ao rasgo = F/t

Se o rasgo é pré-iniciado com um entalhe em V ou corte reto, ou a borda é lisa e intacta, uma força será medida 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/inch).

Como Testar a Resistência ao Rasgo?

O teste de resistência ao rasgo é geralmente realizado em uma máquina de teste de tração. Uma amostra é presa às garras superior e inferior da máquina de teste. É orientada de forma que o esforço seja aplicado como um movimento de rasgo. O formato mais comum usa o aptamente chamado teste de calça. As "pernas" ou formato de calça são presas em um plano e puxadas como se usadas durante uma postura de abertura de pernas. A falha ocorre no ponto onde as "pernas" da calça se encontram. Isso estica ou deforma a borda do material em uma linha deslocada (quando carregado a menos que o ponto de rasgo). A força é então aumentada em etapas até que o rasgo comece no concentrador de tensão.

Três formas de preparação da borda são feitas: um entalhe em V ou I para atuar como iniciador, ou a borda é lisa e forma uma curva intacta onde as "pernas" da amostra se encontram. Estes testes não são necessariamente comparáveis entre si. O iniciador provavelmente resultará em uma resistência ao rasgo muito menor do que de amostras idênticas de outra forma. 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 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 de força de amostras de material idênticas em forma/testadas. No entanto, medidas quantitativas em amostras de teste provavelmente informarão apenas qualitativamente sobre riscos de falha em condições reais, onde aplicações de carga raramente são tão simplificadas/ideais como as de um laboratório de teste.

Como Medir a Resistência ao Rasgo?

Ao realizar um teste, peso ou deslocamento e um módulo de medição de força são aplicados à garra móvel. A força na qual o rasgo é iniciado é a medição de teste resultante. Formas de amostra e cortes de iniciador variam, mas todas as amostras são arranjadas de forma que uma carga de tração simples aplique uma força de rasgo em um ponto predeterminado na amostra.

Quais São os Padrões da ASTM International para Medir a Resistência ao Rasgo de Diferentes Materiais?

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

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 Exemplos de Resistência ao Rasgo de Diferentes Materiais?

1. Resistência ao Rasgo de Tecido

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

2. Resistência ao Rasgo de 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 estireno-butadieno (4,88 +/-0,47 kN/m) e borracha EPDM (7,27 +/-0,86 kN/m).

3. Resistência ao Rasgo de Plástico

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

Quais São os Tipos de Materiais com Alta Resistência ao Rasgo?

Em tecidos, fibras sintéticas têm maior resistência ao rasgo. Kevlar® e nylon são bons exemplos de extrema resiliência ao rasgo em fibras flexíveis. Materiais de paraquedas são feitos de nylon finamente tecido devido às consequências graves de falha catastrófica. Armaduras corporais militares e armaduras de motocicleta são geralmente Kevlar®, na qual a combinação de baixa elasticidade e enorme resistência à tração resulta em tecidos mais rígidos, mas resistentes.

Em elastômeros, a maior resiliência ao rasgo vem de borrachas naturais e compostos contendo-as. Isso é resultado do alongamento muito alto na ruptura da borracha natural (vulcanizada). No entanto, o equilíbrio de propriedades favorece 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 fibra natural.

O que é Relação Rasgo-Escoamento?

A relação rasgo-escoamento é uma medida da capacidade que um material mostra em distorção elástica e plástica antes do rasgo. Por exemplo, materiais que se 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 ponto de escoamento ser atingido, a recuperação não será possível. Uma alta relação rasgo-escoamento indica um material propenso a falha quando sobrecarregado em modo de rasgo.

Qual é a Medição Média de Resistência ao Rasgo Boa para Impressão 3D?

A medição média de resistência ao rasgo considerada boa na impressão 3D depende da aplicação. A resistência ao rasgo absoluta do material nativo usado na impressão pode ajudar o usuário a avaliar a tecnologia de impressão e material selecionados. Muitos materiais impressos em 3D são relativamente fracos e frágeis. A resistência ao rasgo pode ajudar a entender o comportamento do material sob carga. As resistências ao rasgo relativas de modelos construídos em uma variedade de orientações de máquina podem variar significativamente. Onde a ameaça de rasgo corre ao longo de uma direção primária de veio, o material será fraco. Em FDM de seção fina, por exemplo, os filamentos são mais fortes ao longo de seu comprimento do que a 90° desse eixo. Selecionar a orientação de construção ideal pode ter um efeito significativo nas propriedades funcionais.