인장 강도(Tear Strength): 정의, 3D 프린팅과의 관계, 측정 방법

인장 강도(Tear Strength)란?

인장 강도는 소재가 가해진 응력에 수직 방향으로 파손에 저항하는 능력입니다. 보통 소재 가장자리를 고정하는 클램프 근처의 구속되지 않은 영역에 힘을 가해 찢어짐을 개시하는 데 필요한 힘을 측정합니다.

3D 프린팅에서 인장 강도는 특정 3D 프린트 구조 방식의 구조적 강도 이점을 정의하는 데 도움이 됩니다. 이는 FDM 프린팅 같은 이방성 구조 방식에 특히 관련이 깊습니다. 이방성 소재는 소재의 모드와 방향에 따라 물성이 다릅니다. 이는 나무의 '결(grain)'과 유사하게 해석될 수 있는데, 결 방향(빌드 평면 및 주 필라멘트 방향과 정렬)을 따른 힘은 필라멘트끼리 서로 떨어뜨리려는 힘보다 훨씬 잘 견딥니다.

인장 강도 값은 소재 시편 두께당 뉴턴/mm 또는 파운드포스/단위 두께(lbf/in 또는 N/mm)로 측정합니다. 다만 방법론적 차이로 인해 서로 다른 테스트 셋업 간 결과는 직접 비교할 수 없습니다. 테스트 장치는 시편 가장자리의 일부를 고정 평면에 구속하고 '자유' 가장자리를 구속부 근처에 클램핑합니다. 이로써 시편에 수직인 하중을 가해 찢어짐을 유도합니다. 일부 테스트는 시편 가장자리가 매끄러워야 하고, 다른 테스트는 지정된 V-컷 닉(nick)이나 직선 컷을 개시점으로 사용합니다. 측정값은 찢어짐을 개시하는 데 필요한 힘입니다.

이 글에서는 인장 강도 정의, 3D 프린팅과의 관계, 공식, 측정 방법을 다룹니다.

인장 강도란 무엇인가?

인장 강도는 수직 방향 파손에 대한 소재의 저항력입니다. 찢어짐은 소재 평면에 수직인 힘에 의해 발생하는 중요한 능력입니다. 힘의 선을 따라 소재를 가르는 항복점 파손이 일어납니다. 인장 강도는 일반적으로 파손 전 크게 변형될 수 있는 비취성 소재의 거동 척도로 유용합니다. 취성 소재는 변형 시 찢어지지 않고 파쇄됩니다. 종이는 측정 가능한 인장 강도가 있지만 유리는 취성 파단을 겪으므로 없습니다. 유용한 측정 측면에서 인장 시험은 보통 직물, 종이/카드, 유연 플라스틱, 고무 같은 시트 소재에 수행됩니다.

인장 강도 측정이 3D 프린팅과 어떤 관련인가?

인장 강도 측정은 다양한 3D 프린트 기술의 인열 저항 특성과 부품 빌드 방향을 이해함으로써, 단순히 형상과 끼워맞춤용이 아니라 능동적 힘 테스트에 유용한 시제품을 만드는 데 도움이 됩니다. 공정 선택, 소재 유형, 빌드 방향은 3D 프린트 부품이 의도한 목적에 적합한지 결정하는 중요한 요소가 될 수 있습니다.

굴곡을 견디거나 저항해야 하고, 반복 하중 사이클을 겪으며, 복잡한 하중 시나리오를 겪는 부품은 요구 성능을 제공하는 공정으로 만들어야 합니다. 유연성이 필요할 때 기본 SLA 부품은 즉시 파쇄되는 경향이 있습니다. 반면 필라멘트 방향이 굽힘 선을 따라가도록 빌드된 FDM 부품(그것을 가로지르거나 관통하는 방향이 아닌)은 더 나은 성능을 보입니다. 자세한 내용은 3D 프린팅 가이드를 참조하십시오.

인장 강도 공식

인장 강도 공식은 다음과 같습니다:

인장 강도 = F / t

찢어짐이 V-닉이나 I-컷으로 사전 개시되었거나, 가장자리가 매끄럽고 손상되지 않았든, 찢어짐을 개시하는 힘이 측정됩니다. 그 힘(N 또는 lbf)을 시편 두께(mm 또는 인치)로 나누어 단위 두께당 힘의 표준화된 척도를 얻습니다.

인장 강도 단위

인장 강도는 mm당 뉴턴 또는 인치당 파운드포스(N/mm 또는 lbf/inch)로 측정합니다.

인장 강도 시험 방법

인장 강도 시험은 일반적으로 인장 시험기에서 수행합니다. 시편을 시험기의 상하 죠에 클램핑합니다. 응력이 찢어짐 운동으로 가해지도록 방향을 잡습니다. 가장 일반적인 방식은 '바지 테스트(trouser test)'라 불리는 형태를 사용합니다. '바지 다리' 또는 바지 형상이 평면에 클램핑되고 마치 다리를 벌린 자세처럼 당겨집니다. 파손은 '바지 다리'가 만나는 지점에서 발생합니다. 이는 소재 가장자리를 변위된 선으로 늘리거나 변형시킵니다(찢어짐 점 미만으로 로드될 때). 힘이 단계적으로 증가하다가 응력 집중부에서 찢어짐이 개시됩니다.

세 가지 가장자리 준비 방식이 있습니다: 개시점으로 작용하는 V-닉 또는 I-닉, 또는 시편 '다리'가 만나는 지점에서 손상되지 않은 매끄러운 곡선 가장자리. 이 시험들은 서로 반드시 비교 가능하지 않습니다. 개시점이 있는 경우 그렇지 않은 동일 시편보다 훨씬 낮은 인장 강도가 나올 가능성이 높습니다. 응력(힘) 집중이 훨씬 낮은 변형률(신율/변위) 수준에서 발생하기 때문입니다.

따라서 인장 강도 시험은 다양한 소재의 정밀 비교를 위한 정량적 비교 시험이라기보다 파손 모드를 입증하는 정성적 시험으로 간주됩니다. 동일 형상/시험 조건의 소재 시편 간 힘 복원력의 정성적 비교에는 사용할 수 있습니다. 그러나 시험 시편의 정량적 측정값은 실제 조건에서 하중 적용이 시험실만큼 단순/이상적이지 않으므로 파손 위험에 대해 정성적으로만 알려줄 가능성이 높습니다.

인장 강도 측정 방법

시험 수행 시 하중 또는 변위와 힘 측정 모듈을 움직이는 클램프에 적용합니다. 찢어짐이 개시되는 힘이 결과 측정값이 됩니다. 시편 형상과 개시 컷은 다양하지만, 모든 시편은 단순 인장 로딩이 시편의 미리 정해진 지점에서 인열력을 가하도록 배치됩니다.

ASTM International 표준에 따른 다양한 소재 인장 강도 측정법

ASTM D264는 미국 인열 복원력 시험 표준으로, 5가지 시편 유형을 지정합니다: A(초승달형, 면도칼 닉), B(윙켈만), C(그레이브스), T(바지 인열)/ASTM D470, CP(구속 경로 바지 인열). 시편 유형 A, B, C의 경우 측정된 인장 강도 값은 단순히 (찢어짐 개시 힘) ÷ (시편 두께)입니다. 시편 유형 T 또는 CP의 경우 곡선에서 가해진 평균 또는 중앙값 힘을 시편 두께로 나눈 값입니다.

ISO 34-1은 원칙적으로 직접 비교 가능하지만 주요 세부 사항에서 차이가 있어 동일 소재라도 두 시험 표준을 직접 비교하기 매우 어렵습니다.

자세한 내용은 ASTM International 완벽 가이드를 참조하십시오.

다양한 소재의 인장 강도 예시

1. 직물 인장 강도

직물은 울, 나일론, 면 같은 소재를 짜서 만듭니다. 면 직물은 기초 소재와 가해진 힘에 따라 인장 강도가 크게 달라집니다.

2. 고무 인장 강도

다양한 고무 소재 값: 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), EPDM 고무(7.27 ±0.86 kN/m).

3. 플라스틱 인장 강도

플라스틱 인장 강도 값은 신장 방향, 고분자 물성 변이, 다양한 고분자 유형 가용성에 따라 달라집니다. 결과는 보통 제조 또는 사용 응력을 받을 필름 소재에서만 관심 대상입니다. 고분자 필름은 주로 ASTM D1922, 엘멘도르프 인열 강도 시험(단위: 그램)으로 시험합니다. 예: 대표적 HDPE의 엘멘도르프 인열 강도는 MD(기계 방향) 120g, TD(횡방향) 24g. 반면 LDPE는 MD 320g, TD 170g입니다.

높은 인열 저항성을 가진 소재 유형

직물에서 합성 섬유가 더 높은 인열 저항성을 가집니다. 케블라®와 나일론은 유연 섬유에서 극한의 인열 복원력을 보여주는 좋은 예입니다. 낙하산 소재는 치명적 파손 결과가 심각하므로 고운 나일론 직조로 만듭니다. 군용 방탄복과 오토바이 보호구는 일반적으로 케블라®로, 낮은 신율과 엄청난 인장 저항의 조합으로 더 단단하지만 질긴 직물을 만듭니다.

엘라스토머에서 가장 높은 인열 복원력은 천연 고무와 이를 함유한 화합물에서 나옵니다. 이는 천연(가황) 고무의 파단 시 신율이 매우 높기 때문입니다. 그러나 물성 균형은 많은 응용 분야에서 합성 고무를 선호하게 만드는데, 이들은 일반적으로 더 단단하고 내구성이 좋습니다.

낮은 인열 저항성을 가진 소재 유형

낮은 인열 저항성 소재 예: 종이, PVC 필름, 열가소성 고무, 실리콘 고무, 천연 섬유 직물.

인열-항복비(Tear-Yield Ratio)란?

인열-항복비는 소재가 인열 전 탄성 및 소성 변형을 보이는 능력을 측정합니다. 예: 하중 하에서 탄성 변형하는 소재는 하중 제거 시 회복합니다. 탄성 한계를 넘어 소성 변형이 발생하면 언로드 시 어느 정도 회복합니다. 항복점에 도달한 직후 소재가 찢어지면 회복이 불가능합니다. 높은 인열-항복비는 인열 모드로 과부하 시 파손되기 쉬운 소재임을 나타냅니다.

3D 프린팅에서 '좋은' 평균 인장 강도 측정값은?

3D 프린팅에서 '좋은' 것으로 간주되는 평균 인장 강도 측정값은 응용 분야에 따라 다릅니다. 프린트에 사용된 원소재의 절대적 인열 복원력은 사용자가 선택한 프린팅 기술과 소재를 평가하는 데 도움이 됩니다. 많은 3D 프린팅 소재는 상대적으로 약하고 취성입니다. 인장 강도는 하중 하에서 소재 거동을 이해하는 데 도움이 됩니다. 다양한 기계 빌드 방향의 모델 간 상대적 인장 강도는 크게 달라질 수 있습니다. 인열 위협이 주 결 방향을 따라가면 소재가 약해집니다. 얇은 단면 FDM에서 예를 들어 필라멘트는 길이 방향으로는 강하지만 그 축에 수직인 90° 방향으로는 약합니다. 최적 빌드 방향 선택이 기능적 특성에 상당한 영향을 줄 수 있습니다.