Resistencia al desgarro:qué es, cómo se relaciona con la impresión 3D y cómo medirla

La resistencia al desgarro es la capacidad de un material para resistir la falla perpendicular a la tensión que se aplica. Esto generalmente se prueba midiendo la fuerza requerida para comenzar a rasgar, mientras esa fuerza se aplica a un área libre cerca de una abrazadera que retiene el borde del material.

En la impresión 3D, la resistencia al desgarro ayuda a definir las ventajas de resistencia estructural de métodos particulares de construcción de impresión 3D. Esto es particularmente relevante para los métodos de construcción anisotrópicos como la impresión FDM. Los materiales anisotrópicos tienen diferentes propiedades según el modo y la orientación del material. Esto se puede interpretar como una "veta" similar a la madera, donde las fuerzas a lo largo de la veta (es decir, alineadas con el plano de construcción y la dirección del filamento primario) resisten mucho mejor que aquellas que separan los filamentos entre sí.

Los valores de resistencia al desgarro se miden en newtons por mm o libras de fuerza por unidad de espesor (lbf/in o N/mm) de la muestra de material. Sin embargo, los resultados de diferentes configuraciones de prueba no son directamente comparables debido a diferencias metodológicas. Los bancos de pruebas sujetan una parte del borde de la muestra en un plano fijo y sujetan un borde "libre" cerca de la sujeción. Esto permite aplicar una carga perpendicular a la muestra para inducir un desgarro. Algunas pruebas requieren que las muestras tengan un borde liso, otras usan una muesca de corte en V específica como iniciador y otras usan un corte recto específico para este propósito. El valor medido es la fuerza necesaria para iniciar el desgarro únicamente. 

Este artículo analizará la definición de resistencia al desgarro, su relación con la impresión 3D, su fórmula y cómo medirla.

¿Qué es la resistencia al desgarro?

La resistencia al desgarro es la resistencia de un material a una falla perpendicular. El desgarro es una capacidad crítica que poseen muchos materiales y es causado por una fuerza perpendicular al plano del material. Una fuerza aplicada que excede la resistencia al desgarro causa una falla en el límite elástico que divide el material a lo largo de la línea de aplicación de la fuerza. La resistencia al desgarro es generalmente útil como medida del comportamiento de materiales no quebradizos. Los materiales frágiles no se rasgan sino que se fracturan cuando se deforman. La medida se utiliza para definir la capacidad de los materiales que pueden distorsionarse significativamente antes de fallar. El papel tiene una resistencia al desgarro medible, mientras que el vidrio no, ya que sufre una falla frágil. En términos de mediciones útiles, la prueba de desgarro generalmente se realiza en materiales en láminas como telas, papeles/tarjetas, plásticos flexibles y cauchos.

¿Cómo se relaciona la medición de la resistencia al desgarro con la impresión 3D?

La medición de la resistencia al desgarro se relaciona con la impresión 3D en el sentido de que comprender las propiedades de resistencia al desgarro de las diversas tecnologías de impresión 3D y la orientación de la pieza ayuda a crear prototipos que son útiles para pruebas de fuerza activa en lugar de simplemente para el ajuste y la forma. La selección del proceso, el tipo de material y la orientación de construcción pueden ser factores críticos a la hora de determinar la idoneidad de una pieza impresa en 3D para el propósito previsto.

Las piezas que deben flexionarse o resistirse a la flexión, sufrir ciclos repetidos de carga y someterse a escenarios de carga complejos deben fabricarse mediante un proceso que proporcione el rendimiento requerido. Cuando se requiere flexibilidad, una pieza SLA básica tenderá a fracturarse inmediatamente. Por otro lado, una pieza impresa con FDM que se haya construido de manera que la dirección del filamento quede a lo largo de la línea de flexión (en lugar de a través de ella) funcionará mejor. Para obtener más información, consulte nuestra guía de impresión 3D.

¿Cuál es la fórmula para la resistencia al desgarro?

La fórmula para la resistencia al desgarro es:

Resistencia al desgarro =F/t

Ya sea que el desgarro se inicie previamente con una muesca en V o un corte en I, o que el borde esté liso y sin daños, se medirá una fuerza que inicia el desgarro. Luego, esa fuerza (en N o lbf) se divide por el espesor de la muestra (en mm o pulgadas) para proporcionar una medida estandarizada de fuerza/espesor unitario.

¿Cuál es la unidad utilizada para la resistencia al desgarro?

La resistencia al desgarro se mide en newtons por mm o libras de fuerza por pulgada (N/mm o lbf/pulgada).

¿Cómo probar la resistencia al desgarro?

Las pruebas de resistencia al desgarro generalmente se realizan en un banco de pruebas de tracción. Se sujeta una muestra a las mandíbulas superior e inferior de la máquina de prueba. Está orientado de tal manera que la tensión se aplica como un movimiento de desgarro. El formato más común utiliza la llamada prueba del pantalón. Las “piernas” o la forma de un pantalón se sujetan en un plano y se tiran como si se usaran durante una postura dividida. La falla ocurre en el punto donde se unen las “piernas” de los pantalones. Esto estira o deforma el borde del material en una línea desplazada (cuando se carga por debajo del punto de rotura). Luego se aumenta la fuerza en pasos hasta que comienza el desgarro en el concentrador de tensión.

Se realizan tres formas de preparación de bordes:una muesca en V o una muesca en I para actuar como iniciador, o el borde es liso y forma una curva sin daños donde se unen las “patas” de la muestra. Estas pruebas no son necesariamente comparables entre sí. Es probable que el iniciador dé como resultado una resistencia al desgarro mucho menor que la de muestras idénticas. La concentración de tensión (fuerza) se produce a niveles de deformación (extensión/desplazamiento) mucho más bajos.

Por lo tanto, la prueba de resistencia al desgarro se considera una prueba cualitativa para demostrar el modo de falla en lugar de una prueba comparativa de valores para permitir comparaciones precisas de varios materiales. Se puede utilizar para comparación cualitativa. de la resistencia a la fuerza de muestras de materiales de idéntica forma/ensayados. Sin embargo, es probable que las medidas cuantitativas en las muestras de prueba informen solo cualitativamente sobre los riesgos de falla en condiciones del mundo real, donde las aplicaciones de carga rara vez son tan simplificadas/ideales como las de un laboratorio de pruebas.

¿Cómo medir la resistencia al desgarro?

Al realizar una prueba, se aplica peso o desplazamiento y un módulo de medición de fuerza a la abrazadera móvil. La fuerza con la que se inicia el desgarro es la medida de prueba resultante. Las formas de las muestras y los cortes del iniciador varían, pero todas las muestras están dispuestas de manera que una carga de tracción simple aplique una fuerza de desgarro en un punto predeterminado de la muestra.

¿Cuáles son los estándares de ASTM International para medir la resistencia al desgarro de diferentes materiales?

ASTM D264 es el estándar de prueba de EE. UU. para la resistencia al desgarro y especifica cinco tipos de muestras:A (media luna, con mellas), B (Winkelmann), C (Graves), T (desgarro del pantalón)/ASTM D470 y CP (desgarro del pantalón de trayectoria restringida). Para los tipos de probetas A, B o C, el valor medido de la resistencia al desgarro es simplemente la fuerza (para iniciar el desgarro) dividida por el espesor de la muestra. Para los tipos de muestra T o CP, el valor medido es la fuerza promedio o mediana aplicada en la curva dividida por el espesor de la muestra.

ISO 34-1 es directamente comparable en principio, pero difiere en una serie de detalles clave que hacen que los dos estándares de prueba sean muy difíciles de comparar directamente, incluso para materiales idénticos.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre ASTM International.

¿Cuáles son ejemplos de resistencia al desgarro de diferentes materiales?

1. Resistencia al desgarro de la tela

Los tejidos son materiales que se producen tejiendo materiales como lana, nailon y algodón. Las telas de algodón varían ampliamente en cuanto a resistencia al desgarro según el material base y la fuerza aplicada.

2. Resistencia al desgarro del caucho

Los valores para diversos materiales de caucho son:caucho natural (23,95 +/-1,85 kN/m), caucho de nitrilo (9,14 +/-1,54 kN/m), caucho de estireno-butadieno (4,88 +/-0,47 kN/m) y caucho EPDM (7,27 +/-0,86 kN/m).

3. Resistencia al desgarro del plástico

Los valores de resistencia al desgarro de los plásticos varían según la orientación del alargamiento, las variaciones de las propiedades del polímero y la amplia disponibilidad de tipos de polímeros. Los resultados normalmente sólo son de interés en materiales cinematográficos que estarán sujetos a tensiones de fabricación o uso. Las películas de polímero también tienden a probarse utilizando ASTM D1922, la prueba de resistencia al desgarro de Elmendorf (resultados en gramos). Por ejemplo, un HDPE modal tiene una resistencia al desgarro Elmendorf de 120 g MD (dirección de la máquina) y 24 g TD (dirección transversal). El LDPE, por otro lado, tiene una resistencia al desgarro Elmendorf de 320 g MD y 170 g TD.

¿Cuáles son los tipos de materiales con alta resistencia al desgarro?

En los tejidos, las fibras sintéticas tienen mayor resistencia al desgarro. Kevlar® y nailon son buenos ejemplos de extrema resistencia al desgarro en fibras flexibles. Los materiales de los paracaídas están hechos de nailon tejido fino debido a las graves consecuencias de una falla catastrófica. Los chalecos antibalas militares y los chalecos antibalas para motocicletas suelen ser de kevlar®, en el que la combinación de baja elasticidad y enorme resistencia a la tracción da lugar a tejidos más rígidos pero resistentes.

En los elastómeros, la mayor resistencia al desgarro proviene de los cauchos naturales y los compuestos que los contienen. Esto es el resultado del muy alto alargamiento de rotura del caucho natural (vulcanizado). Sin embargo, el equilibrio de propiedades favorece a los cauchos sintéticos en muchas aplicaciones, que generalmente son más rígidos y duraderos.

¿Cuáles son los tipos de materiales con baja resistencia al desgarro?

Algunos ejemplos de materiales con baja resistencia al desgarro son:papel, películas de PVC, cauchos termoplásticos, cauchos de silicona y tejidos de fibras naturales.

¿Qué es la relación rendimiento-lágrima?

La relación de rendimiento al desgarro es una medida de la capacidad que muestra un material de distorsión elástica y plástica antes de desgarrarse. Por ejemplo, los materiales que se deforman elásticamente bajo carga se recuperarán cuando se retire la carga. Si se excede el límite elástico y se produce deformación plástica, habrá cierta recuperación cuando se descargue. Si el material se rompe poco después de alcanzar el límite elástico, no será posible la recuperación. Una relación alta de rendimiento al desgarro indica que el material es propenso a fallar cuando se sobrecarga en modo de desgarro.

¿Cuál es la medida promedio de resistencia al desgarro buena para la impresión 3D?

La medida media de resistencia al desgarro que se considera buena en la impresión 3D depende de la aplicación. La absoluta resistencia al desgarro del material nativo utilizado en la impresión puede ayudar al usuario a evaluar la tecnología y el material de impresión seleccionados. Muchos materiales impresos en 3D son relativamente débiles y quebradizos. La resistencia al desgarro puede ayudar a comprender el comportamiento del material bajo carga. Las resistencias relativas al desgarro de los modelos construidos en una variedad de orientaciones de máquina pueden variar significativamente. Cuando la amenaza de desgarro corre a lo largo de una dirección de fibra primaria, el material será débil. En FDM de sección delgada, por ejemplo, los filamentos son más fuertes a lo largo de su longitud que a 90° de ese eje. Seleccionar la orientación de construcción óptima puede tener un efecto significativo en las propiedades funcionales.