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 el fallo perpendicular al esfuerzo aplicado. Generalmente se prueba midiendo la fuerza necesaria para iniciar un desgarro, mientras esa fuerza se aplica a un área no restringida cerca de una sujeción que retiene el borde del material.

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

Los valores de resistencia al desgarro se miden en newtons por mm o libras-fuerza por unidad de espesor (lbf/in o N/mm) de la muestra. Aunque los resultados de diferentes configuraciones de prueba no son directamente comparables debido a diferencias metodológicas. Los equipos de prueba 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 muestras con borde liso, otras usan un corte en V especificado como iniciador, y otras usan un corte recto especificado. El valor medido es la fuerza requerida 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 un fallo perpendicular. El desgarro es una capacidad crítica que poseen muchos materiales, causada por una fuerza perpendicular al plano del material. Una fuerza aplicada que excede la resistencia al desgarro causa un fallo en el punto de cedencia que separa 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 frágiles. Los materiales frágiles no se desgarran sino que fracturan cuando se distorsionan. La medida se usa para definir la capacidad de materiales que pueden distorsionarse significativamente antes del fallo. El papel tiene una resistencia al desgarro medible, mientras que el vidrio no, ya que sufre un fallo frágil. En términos de mediciones útiles, las pruebas de desgarro suelen realizarse en materiales en lámina como tejidos, papeles/cartones, plásticos flexibles y cauchos.

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

Medir la resistencia al desgarro se relaciona con la impresión 3D en 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 útiles para pruebas de fuerza activa en lugar de solo para ajuste y forma. La selección del proceso, tipo de material y orientación de construcción pueden ser factores críticos para determinar la idoneidad de una pieza impresa en 3D para el propósito previsto.

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

¿Cuál es la fórmula de la resistencia al desgarro?

La fórmula para la resistencia al desgarro es:

Resistencia al desgarro = F/t

Ya sea que el desgarro sea pre-iniciado con un corte en V o en I, o el borde sea liso e intacto, se medirá una fuerza que inicia el desgarro. 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/unidad de espesor.

¿Qué unidad se usa para la resistencia al desgarro?

La resistencia al desgarro se mide en newtons por mm o libra-fuerza por pulgada (N/mm o lbf/pulg).

¿Cómo probar la resistencia al desgarro?

La prueba de resistencia al desgarro se realiza generalmente en un equipo de ensayo a tracción. Una muestra se sujeta a las mordazas superior e inferior de la máquina. Se orienta de modo que el esfuerzo se aplique como un movimiento de desgarro. El formato más común usa la llamada prueba de pantalón. Las "piernas" o forma de pantalón se sujetan en un plano y se jalan como si se realizara una apertura de piernas. El fallo ocurre en el punto donde se unen las "piernas". Esto estira o deforma el borde del material en una línea desplazada (cuando se carga por debajo del punto de desgarro). La fuerza se incrementa en pasos hasta que comienza el desgarro en el concentrador de esfuerzo.

Se preparan tres formas de borde: un corte en V o en I para actuar como iniciador, o el borde es liso y forma una curva intacta donde se unen las "piernas" de la muestra. Estas pruebas no son necesariamente comparables entre sí. El iniciador probablemente resultará en una resistencia al desgarro mucho menor que en muestras idénticas. La concentración de esfuerzo (fuerza) ocurre 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 fallo en lugar de una prueba comparativa de valores para permitir comparaciones precisas de diversos materiales. Puede usarse para comparación cualitativa de la resiliencia a la fuerza de muestras de material idénticamente formadas/probadas. Sin embargo, medidas cuantitativas en muestras de prueba probablemente informen solo cualitativamente sobre riesgos de fallo en condiciones reales, donde las aplicaciones de carga rara vez son tan simplificadas/ideales como en un laboratorio.

¿Cómo medir la resistencia al desgarro?

Al realizar una prueba, se aplica peso o desplazamiento y un módulo de medición de fuerza a la mordaza móvil. La fuerza a la que se inicia el desgarro es la medición resultante. Las formas de muestra y cortes iniciadores varían, pero todas las muestras se disponen de modo que una simple carga de tracción 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 estadounidense para resiliencia al desgarro, y especifica cinco tipos de muestra: A (media luna, corte con navaja), B (Winkelmann), C (Graves), T (Desgarro de pantalón)/ASTM D470, y CP (Desgarro de pantalón de trayectoria restringida). Para tipos de muestra A, B o C, el valor medido de resistencia al desgarro es simplemente la fuerza (para iniciar el desgarro) dividida por el espesor de la muestra. Para tipos T o CP, el valor medido es la fuerza promedio o media aplicada en la curva dividida por el espesor de la muestra.

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

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

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

1. Resistencia al desgarro de tejidos

Los tejidos son materiales producidos tejiendo materiales como lana, nailon y algodón. Los tejidos de algodón varían ampliamente en resistencia al desgarro dependiendo del material base y la fuerza aplicada.

2. Resistencia al desgarro de caucho

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

3. Resistencia al desgarro de plástico

Los valores de resistencia al desgarro para plásticos varían, dependiendo de la orientación de elongación, variaciones de propiedades del polímero y la amplia disponibilidad de tipos de polímero. Los resultados suelen ser de interés solo en materiales de film que serán sometidos a esfuerzos de fabricación o uso. Las películas poliméricas también tienden a probarse usando ASTM D1922, la prueba de desgarro Elmendorf (resultados en gramos). Por ejemplo, un HDPE modal tiene una resistencia al desgarro Elmendorf de 120g MD (dirección de máquina) y 24g TD (dirección transversal). El LDPE, por otro lado, tiene una resistencia al desgarro Elmendorf de 320g MD y 170g TD.

¿Qué tipos de materiales tienen alta resistencia al desgarro?

En tejidos, las fibras sintéticas tienen mayor resistencia al desgarro. Kevlar® y nailon son buenos ejemplos de extrema resiliencia al desgarro en fibras flexibles. Los materiales de paracaídas están hechos de nailon tejido fino debido a las graves consecuencias de un fallo catastrófico. Las armaduras militares y para motociclistas son generalmente Kevlar®, donde la combinación de baja elasticidad y enorme resistencia a la tracción crean tejidos más rígidos pero tenaces.

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

¿Qué tipos de materiales tienen 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 fibra natural.

¿Qué es la relación desgarro-cedencia?

La relación desgarro-cedencia es una medida de la capacidad que muestra un material para la distorsión elástica y plástica antes del desgarro. Por ejemplo, materiales que se distorsionan elásticamente bajo carga recuperarán su forma cuando se retire la carga. Si se supera el límite elástico y ocurre deformación plástica, habrá alguna recuperación al descargar. Si el material se desgarra poco después de alcanzar el punto de cedencia, la recuperación no será posible. Una alta relación desgarro-cedencia indica un material propenso a fallar cuando se sobrecarga en modo desgarro.

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

La medición promedio de resistencia al desgarro considerada buena en impresión 3D depende de la aplicación. La resistencia al desgarro absoluta del material nativo usado en la impresión puede ayudar al usuario a evaluar la tecnología de impresión y el material seleccionados. Muchos materiales impresos en 3D son relativamente débiles y frágiles. La resistencia al desgarro puede ayudar a comprender el comportamiento del material bajo carga. Las resistencias al desgarro relativas de modelos construidos en diversas orientaciones de máquina pueden variar significativamente. Donde la amenaza de desgarro corre a lo largo de una dirección de vetá principal, 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.