인열 강도:정의, 3D 프린팅과의 관련성 및 측정 방법

인열 강도는 가해지는 응력에 수직으로 파손에 저항하는 재료의 능력입니다. 이는 일반적으로 찢어지기 시작하는 데 필요한 힘을 측정하여 테스트하며, 그 힘은 재료 가장자리를 유지하는 클램프에 가까운 구속되지 않은 영역에 적용됩니다.

3D 프린팅에서 인열강도는 특정 3D 프린팅 구성 방법의 구조적 강도 이점을 정의하는 데 도움이 됩니다. 이는 특히 FDM 인쇄와 같은 이방성 구성 방법과 관련이 있습니다. 이방성 재료는 재료의 모드와 방향에 따라 다른 특성을 갖습니다. 이는 목재와 유사한 "결"로 해석될 수 있으며, 결을 따르는 힘(즉, 제작 평면 및 기본 필라멘트 방향과 정렬됨)이 필라멘트를 서로 잡아당기는 힘보다 훨씬 더 잘 저항됩니다.

인열 강도 값은 재료 샘플의 단위 두께(lbf/in 또는 N/mm)당 mm당 뉴턴 또는 파운드 힘으로 측정됩니다. 그러나 방법론적 차이로 인해 다양한 테스트 설정의 결과를 직접 비교할 수는 없습니다. 테스트 장비는 샘플 가장자리의 일부를 고정된 평면에 고정하고 "자유" 가장자리를 구속 장치에 가깝게 고정합니다. 이를 통해 샘플에 수직으로 하중을 가하여 찢어짐을 유도할 수 있습니다. 일부 테스트에서는 샘플의 가장자리가 매끄러워야 하고, 다른 테스트에서는 지정된 V 컷 닉을 개시제로 사용하고, 다른 테스트에서는 이 목적을 위해 지정된 직선 컷을 사용합니다. 측정된 값은 찢어짐을 시작하는데 필요한 힘입니다. 

이 기사에서는 인열 강도의 정의, 3D 프린팅과의 관계, 공식 및 측정 방법에 대해 설명합니다.

인열강도란 무엇입니까?

인열 강도는 수직 파손에 대한 재료의 저항입니다. 찢어짐은 많은 재료가 갖는 중요한 능력이며 재료 평면에 수직인 힘에 의해 발생합니다. 인열강도를 초과하는 힘이 가해지면 힘이 가해진 선을 따라 재료가 분리되는 항복점 파손이 발생합니다. 인열 강도는 일반적으로 깨지지 않는 재료의 거동을 측정하는 데 유용합니다. 부서지기 쉬운 재료는 찢어지지 않지만 뒤틀려지면 부서집니다. 이 측정은 파손되기 전에 크게 변형될 수 있는 재료의 능력을 정의하는 데 사용됩니다. 종이는 측정 가능한 인열 강도를 갖고 있는 반면, 유리는 깨지기 쉬운 파손을 겪기 때문에 그렇지 않습니다. 유용한 측정 측면에서 인열 테스트는 일반적으로 직물, 종이/카드, 유연한 플라스틱 및 고무와 같은 시트 재료에 대해 수행됩니다.

인열강도 측정은 3D 프린팅과 어떤 관련이 있나요?

인열 강도 측정은 다양한 3D 프린트 기술의 인열 저항 특성과 부품 방향을 이해하면 단순히 핏과 모양이 아닌 활성 힘 테스트에 유용한 프로토타입을 만드는 데 도움이 된다는 점에서 3D 프린팅과 관련이 있습니다. 프로세스 선택, 재료 유형 및 제작 방향은 의도된 목적에 대한 3D 프린팅 부품의 적합성을 결정하는 데 중요한 요소가 될 수 있습니다.

구부러지거나 구부러지지 않아야 하고, 반복적인 하중 주기를 겪고, 복잡한 하중 시나리오를 겪는 부품은 필요한 성능을 제공하는 프로세스를 통해 제작되어야 합니다. 유연성이 필요한 경우 기본 SLA 부품은 즉시 파손되는 경향이 있습니다. 반면에 필라멘트 방향이 굽힘선을 따라(가로질러 또는 굽힘선을 통과하지 않고) 따라 있도록 제작된 FDM 인쇄 부품은 더 나은 성능을 발휘합니다. 자세한 내용은 3D 프린팅 가이드를 참조하세요.

인열강도 공식은 무엇인가요?

인열강도 공식은 다음과 같습니다:

인열강도 =F/t

찢어짐이 V자형 칼자국으로 사전에 시작되었는지 I 절단으로 시작되었는지 또는 가장자리가 매끄럽고 손상되지 않았는지 여부에 관계없이 찢어짐을 시작하는 힘이 측정됩니다. 그런 다음 해당 힘(N 또는 lbf 단위)을 샘플 두께(mm 또는 인치 단위)로 나누어 힘/단위 두께에 대한 표준화된 측정값을 제공합니다.

인열강도의 단위는 무엇인가요?

인열 강도는 mm당 뉴턴 또는 인치당 파운드 힘(N/mm 또는 lbf/인치)으로 측정됩니다.

인열 강도를 테스트하는 방법

인열 강도 테스트는 일반적으로 인장 테스트 장비에서 수행됩니다. 샘플은 테스트 기계의 상부 및 하부 조에 고정됩니다. 응력이 찢어짐 동작으로 적용되도록 방향이 지정됩니다. 가장 일반적인 형식은 적절한 이름의 바지 테스트를 사용합니다. "다리" 또는 바지 모양은 평면에 고정되어 분할 자세로 착용하는 것처럼 당겨집니다. 바지의 "다리"가 만나는 지점에서 파손이 발생합니다. 이로 인해 재료 가장자리가 변위된 선으로 늘어나거나 변형됩니다(찢는 점보다 작게 로드된 경우). 그런 다음 응력 집중 장치에서 찢어짐이 시작될 때까지 힘을 단계적으로 증가시킵니다.

세 가지 형태의 가장자리 준비가 이루어집니다. 개시제 역할을 하는 V 닉 또는 I 닉 또는 가장자리가 매끄러워 샘플의 "다리"가 만나는 곳에 손상되지 않은 곡선을 형성합니다. 이러한 테스트는 반드시 서로 비교할 수 있는 것은 아닙니다. 개시제는 동일한 샘플보다 인열강도가 훨씬 낮은 결과를 가져올 가능성이 높습니다. 응력(힘) 집중은 훨씬 낮은 변형(신장/변위) 수준에서 발생합니다.

따라서 인열 강도 테스트는 다양한 재료를 정확하게 비교할 수 있는 값 비교 테스트가 아니라 파손 모드를 보여 주는 정성적 테스트로 간주됩니다. 정성적 비교에 사용할 수 있습니다. 동일한 모양/테스트된 재료 샘플의 힘 복원력. 그러나 테스트 샘플의 정량적 측정은 로드 애플리케이션이 테스트 실험실의 애플리케이션만큼 단순화/이상적이지 않은 실제 조건의 실패 위험에 대해 질적으로만 정보를 제공할 가능성이 높습니다.

인열강도는 어떻게 측정하나요?

테스트를 수행할 때 무게 또는 변위와 힘 측정 모듈이 이동 클램프에 적용됩니다. 찢어짐이 시작되는 힘이 테스트 측정 결과입니다. 샘플 모양과 개시제 절단은 다양하지만 모든 샘플은 간단한 인장 하중이 샘플의 미리 결정된 지점에 인열력을 가하도록 배열됩니다.

다양한 재료의 인열 강도를 측정하기 위한 ASTM International의 표준은 무엇입니까?

ASTM D264는 찢어짐 탄력성에 대한 미국 테스트 표준으로 A(초승달 모양, 면도날 모양), B(Winkelmann), C(Graves), T(바지 찢어짐)/ASTM D470 및 CP(제한된 경로 바지 찢어짐)의 다섯 가지 샘플 유형을 지정합니다. 테스트 표본 유형 A, B 또는 C의 경우 측정된 인열 강도 값은 단순히 힘(인열 시작)을 시료 두께로 나눈 값입니다. 시편 유형 T 또는 CP의 경우 측정된 값은 곡선에 적용된 평균 또는 중간 힘을 시편 두께로 나눈 값입니다.

ISO 34-1은 원칙적으로 직접적으로 비교할 수 있지만 동일한 재료에 대해서도 두 테스트 표준을 직접 비교하기가 매우 어렵게 만드는 여러 주요 세부 사항이 다릅니다.

자세한 내용은 ASTM International에 대한 전체 가이드를 참조하세요.

재료별 인열강도의 예는 무엇입니까?

1. 직물의 인열강도

직물은 양모, 나일론, 면 등의 소재를 엮어서 만든 소재입니다. 면직물은 기본 소재와 가해지는 힘에 따라 인열강도가 크게 다릅니다.

2. 고무의 인열강도

다양한 고무 재료의 값은 천연 고무(23.95 +/-1.85 kN/m), 니트릴 고무(9.14 +/-1.54 kN/m), 스티렌-부타디엔 고무(4.88 +/-0.47 kN/m) 및 EPDM 고무(7.27 +/-0.86 kN/m)입니다.

3. 플라스틱의 인열강도

플라스틱의 인열강도 값은 신장 방향, 폴리머 특성 변화, 폴리머 유형의 폭넓은 가용성에 따라 달라집니다. 결과는 일반적으로 제조 또는 사용 스트레스를 받는 필름 재료에만 관심이 있습니다. 또한 폴리머 필름은 Elmendorf 인열 강도 테스트(결과:그램)인 ASTM D1922를 사용하여 테스트되는 경향이 있습니다. 예를 들어 모달 HDPE의 Elmendorf 인열강도는 MD(기계 방향) 120g, TD(횡방향) 24g입니다. 반면 LDPE의 엘멘도르프 인열강도는 MD 320g, TD 170g입니다.

인열 저항성이 높은 재료의 유형은 무엇입니까?

직물에서 합성 섬유는 인열 저항성이 더 높습니다. Kevlar®와 나일론은 유연한 섬유의 찢어짐 복원력이 매우 뛰어난 좋은 예입니다. 낙하산 재료는 치명적인 고장으로 인한 심각한 결과로 인해 미세한 직조 나일론으로 만들어집니다. 군용 방탄복과 오토바이 갑옷은 일반적으로 kevlar®로, 낮은 탄성과 큰 인장 저항이 결합되어 더욱 단단하지만 질긴 직물을 만듭니다.

엘라스토머에서 가장 높은 인열 탄력성은 천연 고무와 이를 함유한 화합물에서 비롯됩니다. 이는 천연(가황) 고무의 파단 시 신장률이 매우 높기 때문입니다. 그러나 특성의 균형으로 인해 많은 응용 분야에서 일반적으로 더 강하고 내구성이 뛰어난 합성 고무가 선호됩니다.

인열 저항이 낮은 재료의 유형은 무엇입니까?

인열 저항성이 낮은 재료의 예로는 종이, PVC 필름, 열가소성 고무, 실리콘 고무, 천연 섬유 직물 등이 있습니다.

눈물량률이란 무엇인가요?

인열수율비는 인열 전 재료가 탄성 및 소성 변형을 나타내는 능력을 측정한 것입니다. 예를 들어, 하중을 받으면 탄성적으로 변형되는 재료는 하중이 제거되면 회복됩니다. 탄성 한계를 초과하여 소성 변형이 발생하면 하중을 가할 때 약간의 회복이 발생합니다. 항복점에 도달한 직후 재료가 찢어지면 복구가 불가능합니다. 인열 수율 비율이 높다는 것은 인열 모드에서 과부하가 걸리면 파손되기 쉬운 재료를 나타냅니다.

3D 프린팅에 적합한 평균 인열강도 측정값은 무엇입니까?

3D 프린팅에서 양호하다고 간주되는 평균 인열강도 측정은 응용 분야에 따라 다릅니다. 인쇄물에 사용된 기본 재료의 절대적인 찢어짐 탄력성은 사용자가 선택한 인쇄 기술과 재료를 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 많은 3D 프린팅 재료는 상대적으로 약하고 부서지기 쉽습니다. 인열강도는 하중을 받는 재료의 거동을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다양한 기계 방향으로 제작된 모델의 상대적 인열 강도는 크게 다를 수 있습니다. 찢어짐 위험이 주요 결 방향을 따라 진행되는 경우 재료가 약해집니다. 예를 들어, 얇은 부분의 FDM에서 필라멘트는 축에 대해 90°일 때보다 길이를 따라 더 강합니다. 최적의 빌드 방향을 선택하면 기능적 속성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.