Reißfestigkeit:Was es ist, wie es mit dem 3D-Druck zusammenhängt und wie man es misst

Die Reißfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einem Bruch senkrecht zur ausgeübten Belastung zu widerstehen. Dies wird normalerweise getestet, indem die Kraft gemessen wird, die erforderlich ist, um einen Riss zu beginnen, während diese Kraft auf einen nicht gespannten Bereich in der Nähe einer Klemme ausgeübt wird, die die Materialkante festhält.

Beim 3D-Druck trägt die Reißfestigkeit dazu bei, die strukturellen Festigkeitsvorteile bestimmter Methoden der 3D-Druckkonstruktion zu definieren. Dies gilt insbesondere für anisotrope Bauweisen wie den FDM-Druck. Anisotrope Materialien haben je nach Art und Ausrichtung des Materials unterschiedliche Eigenschaften. Dies kann als eine holzähnliche „Maserung“ interpretiert werden, bei der Kräfte entlang der Maserung (d. h. ausgerichtet auf die Bauebene und die primäre Filamentrichtung) viel besser widerstanden werden als solche, die die Filamente auseinanderziehen.

Reißfestigkeitswerte werden in Newton pro mm oder Pfund Kraft pro Einheitsdicke (lbf/in oder N/mm) der Materialprobe gemessen. Allerdings sind die Ergebnisse verschiedener Testaufbauten aufgrund methodischer Unterschiede nicht direkt vergleichbar. Prüfstände halten einen Teil der Probenkante in einer festen Ebene fest und spannen eine „freie“ Kante in der Nähe der Einspannung ein. Dadurch kann eine Last senkrecht zur Probe ausgeübt werden, um einen Riss auszulösen. Einige Tests erfordern, dass die Proben eine glatte Kante haben, andere verwenden einen bestimmten V-Schnitt als Auslöser und wieder andere verwenden zu diesem Zweck einen bestimmten geraden Schnitt. Der gemessene Wert ist die Kraft, die nur zum Einleiten des Abreißens erforderlich ist. 

In diesem Artikel geht es um die Definition der Reißfestigkeit, ihren Zusammenhang mit dem 3D-Druck, ihre Formel und wie man sie misst.

Was ist Reißfestigkeit?

Die Reißfestigkeit ist der Widerstand eines Materials gegenüber einem senkrechten Bruch. Reißen ist eine entscheidende Fähigkeit vieler Materialien und wird durch eine Kraft senkrecht zur Materialebene verursacht. Eine aufgebrachte Kraft, die die Reißfestigkeit überschreitet, führt zu einem Bruch der Streckgrenze, wodurch das Material entlang der Krafteinleitungslinie zerteilt wird. Die Reißfestigkeit ist im Allgemeinen als Maß für das Verhalten nicht spröder Materialien nützlich. Spröde Materialien reißen nicht, sondern brechen, wenn sie verformt werden. Das Maß wird verwendet, um die Fähigkeit von Materialien zu definieren, sich vor dem Versagen erheblich zu verformen. Papier hat eine messbare Reißfestigkeit, Glas hingegen nicht, da es spröde wird. Im Hinblick auf nützliche Messungen werden Reißtests normalerweise an Blattmaterialien wie Stoffen, Papieren/Karten, flexiblen Kunststoffen und Gummi durchgeführt.

Wie hängt die Messung der Reißfestigkeit mit dem 3D-Druck zusammen?

Die Messung der Reißfestigkeit bezieht sich auf den 3D-Druck, da das Verständnis der Reißfestigkeitseigenschaften der verschiedenen 3D-Drucktechnologien und der Ausrichtung des Teils dabei hilft, Prototypen zu erstellen, die für aktive Krafttests und nicht nur für Passform und Form nützlich sind. Die Auswahl des Prozesses, des Materialtyps und der Bauausrichtung können entscheidende Faktoren bei der Bestimmung der Eignung eines 3D-gedruckten Teils für den beabsichtigten Zweck sein.

Teile, die sich biegen oder einer Biegung widerstehen müssen, wiederholten Belastungszyklen ausgesetzt sind und komplexen Belastungsszenarien ausgesetzt sind, müssen in einem Prozess hergestellt werden, der die erforderliche Leistung erbringt. Wenn Flexibilität erforderlich ist, neigt ein einfaches SLA-Teil dazu, sofort zu brechen. Ein FDM-gedrucktes Teil hingegen, das so gebaut wurde, dass die Filamentrichtung entlang der Biegelinie verläuft (und nicht quer dazu oder durch sie hindurch), wird eine bessere Leistung erbringen. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zum 3D-Druck.

Wie lautet die Formel für Reißfestigkeit?

Die Formel für die Reißfestigkeit lautet:

Reißfestigkeit =F/t

Unabhängig davon, ob der Riss vorab durch einen V-Schnitt oder einen I-Schnitt eingeleitet wird oder die Kante glatt und unbeschädigt ist, wird eine Kraft gemessen, die den Riss auslöst. Diese Kraft (in N oder lbf) wird dann durch die Probendicke (in mm oder Zoll) dividiert, um ein standardisiertes Maß für die Kraft/Dickeneinheit zu erhalten.

Welche Einheit wird für die Reißfestigkeit verwendet?

Die Reißfestigkeit wird in Newton pro mm oder Pfund-Kraft pro Zoll (N/mm oder lbf/Zoll) gemessen.

Wie testet man die Reißfestigkeit?

Die Prüfung der Reißfestigkeit erfolgt in der Regel in einem Zugprüfstand. Eine Probe wird an der Ober- und Unterbacke der Prüfmaschine eingespannt. Es ist so ausgerichtet, dass die Belastung als Reißbewegung ausgeübt wird. Das gebräuchlichste Format verwendet den treffend benannten Hosentest. Die „Beine“ oder eine Hosenform werden in einer Ebene eingespannt und gezogen, als ob sie bei einer Spagat-Haltung getragen würden. Der Fehler tritt an der Stelle auf, an der die „Beine“ der Hose zusammentreffen. Dadurch wird die Materialkante zu einer verschobenen Linie gedehnt oder verformt (bei Belastung unterhalb der Reißstelle). Anschließend wird die Kraft schrittweise erhöht, bis am Spannungskonzentrator ein Reißen einsetzt.

Es werden drei Formen der Kantenvorbereitung durchgeführt:eine V- oder I-Einkerbung als Initiator oder die Kante ist glatt und bildet eine unbeschädigte Kurve an der Stelle, an der sich die „Beine“ der Probe treffen. Diese Tests sind nicht unbedingt miteinander vergleichbar. Der Initiator führt wahrscheinlich zu einer viel geringeren Reißfestigkeit als bei ansonsten identischen Proben. Die Spannungskonzentration (Kraftkonzentration) tritt bei viel geringeren Dehnungsniveaus (Dehnung/Verschiebung) auf.

Die Prüfung der Reißfestigkeit gilt daher als qualitativer Test zum Nachweis des Versagensmodus und nicht als Wertvergleichstest, um genaue Vergleiche verschiedener Materialien zu ermöglichen. Es kann für qualitative Vergleiche verwendet werden der Kraftbelastbarkeit identisch geformter/geprüfter Materialproben. Quantitative Messungen in Testproben geben jedoch wahrscheinlich nur qualitative Auskunft über Ausfallrisiken unter realen Bedingungen, wo Lastanwendungen selten so einfach/ideal sind wie die in einem Testlabor.

Wie misst man die Reißfestigkeit?

Bei der Durchführung eines Tests werden entweder Gewicht oder Verschiebung sowie ein Kraftmessmodul auf die bewegliche Klemme ausgeübt. Die Kraft, bei der das Reißen eingeleitet wird, ist das resultierende Testmaß. Probenformen und Initiatorschnitte variieren, aber alle Proben sind so angeordnet, dass eine einfache Zugbelastung eine Reißkraft an einem vorbestimmten Punkt in der Probe ausübt.

Was sind die Standards von ASTM International zur Messung der Reißfestigkeit verschiedener Materialien?

ASTM D264 ist der US-amerikanische Teststandard für die Reißfestigkeit und spezifiziert fünf Probentypen:A (Halbmond, Rasiermesserschnitt), B (Winkelmann), C (Graves), T (Hosenriss)/ASTM D470 und CP (Hosenriss mit eingeschränktem Weg). Bei den Prüfkörpertypen A, B oder C ist der gemessene Wert der Reißfestigkeit einfach die Kraft (zur Einleitung des Reißens) dividiert durch die Probendicke. Bei den Probentypen T oder CP ist der Messwert die durchschnittliche oder mittlere Kraft, die an der Kurve ausgeübt wird, dividiert durch die Probendicke.

ISO 34-1 ist im Prinzip direkt vergleichbar, unterscheidet sich jedoch in einer Reihe wichtiger Details, die einen direkten Vergleich der beiden Prüfnormen selbst für identische Materialien sehr schwierig machen.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zu ASTM International.

Was sind Beispiele für die Reißfestigkeit verschiedener Materialien?

1. Reißfestigkeit des Stoffes

Stoffe sind Materialien, die durch das Zusammenweben von Materialien wie Wolle, Nylon und Baumwolle hergestellt werden. Die Reißfestigkeit von Baumwollstoffen variiert stark, abhängig vom Grundmaterial und der ausgeübten Kraft.

2. Reißfestigkeit von Gummi

Die Werte für verschiedene Gummimaterialien sind:Naturkautschuk (23,95 +/-1,85 kN/m), Nitrilkautschuk (9,14 +/-1,54 kN/m), Styrol-Butadien-Kautschuk (4,88 +/-0,47 kN/m) und EPDM-Kautschuk (7,27 +/-0,86 kN/m).

3. Reißfestigkeit von Kunststoff

Die Reißfestigkeitswerte für Kunststoffe variieren je nach Dehnungsrichtung, unterschiedlichen Polymereigenschaften und der breiten Verfügbarkeit von Polymertypen. Die Ergebnisse sind in der Regel nur bei Folienmaterialien von Interesse, die bei der Herstellung oder Verwendung Belastungen ausgesetzt sind. Polymerfolien werden in der Regel auch mit ASTM D1922, dem Elmendorf-Reißfestigkeitstest (Ergebnisse in Gramm), getestet. Beispielsweise hat ein modales HDPE eine Elmendorf-Reißfestigkeit von 120 g MD (Maschinenrichtung) und 24 g TD (Querrichtung). LDPE hingegen hat eine Elmendorf-Reißfestigkeit von 320 g MD und 170 g TD.

Welche Arten von Materialien haben eine hohe Reißfestigkeit?

Bei Stoffen weisen synthetische Fasern eine höhere Reißfestigkeit auf. Kevlar® und Nylon sind gute Beispiele für extreme Reißfestigkeit flexibler Fasern. Aufgrund der schwerwiegenden Folgen eines katastrophalen Ausfalls werden Fallschirmmaterialien aus fein gewebtem Nylon hergestellt. Militärische Körperpanzer und Motorradpanzer bestehen im Allgemeinen aus Kevlar®, wobei die Kombination aus geringer Elastizität und enormer Zugfestigkeit für steifere, aber robustere Stoffe sorgt.

Bei Elastomeren erzielen Naturkautschuke und diese enthaltende Mischungen die höchste Reißfestigkeit. Dies ist auf die sehr hohe Bruchdehnung von natürlichem (vulkanisiertem) Gummi zurückzuführen. Die Ausgewogenheit der Eigenschaften begünstigt jedoch in vielen Anwendungen synthetische Kautschuke, die im Allgemeinen steifer und langlebiger sind.

Welche Arten von Materialien haben eine geringe Reißfestigkeit?

Einige Beispiele für Materialien mit geringer Reißfestigkeit sind:Papier, PVC-Folien, thermoplastischer Gummi, Silikonkautschuk und Naturfasergewebe.

Was ist das Reiß-Ertrags-Verhältnis?

Das Reiß-Strecken-Verhältnis ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, sich vor dem Reißen elastisch und plastisch zu verformen. Beispielsweise erholen sich Materialien, die sich unter Belastung elastisch verformen, nach Wegnahme der Belastung. Wenn die Elastizitätsgrenze überschritten wird und eine plastische Verformung auftritt, kommt es bei Entlastung zu einer gewissen Erholung. Wenn das Material kurz nach Erreichen der Streckgrenze reißt, ist eine Wiederherstellung nicht möglich. Ein hohes Reiß-Ertrags-Verhältnis weist auf ein Material hin, das bei Überlastung im Reißmodus zum Versagen neigt.

Was ist die durchschnittliche Reißfestigkeitsmessung für den 3D-Druck?

Welche durchschnittliche Reißfestigkeitsmessung beim 3D-Druck als gut gilt, hängt von der Anwendung ab. Die absolute Reißfestigkeit des im Druck verwendeten nativen Materials kann dem Anwender bei der Beurteilung der gewählten Drucktechnologie und des gewählten Materials helfen. Viele 3D-gedruckte Materialien sind sowohl relativ schwach als auch spröde. Die Reißfestigkeit kann dabei helfen, das Materialverhalten unter Belastung zu verstehen. Die relative Reißfestigkeit von Modellen, die in verschiedenen Maschinenausrichtungen gebaut werden, kann erheblich variieren. Wenn die Rissgefahr entlang einer primären Faserrichtung verläuft, ist das Material schwach. Beim Dünnschnitt-FDM beispielsweise sind die Filamente entlang ihrer Länge stärker als im 90°-Winkel zu dieser Achse. Die Auswahl der optimalen Bauausrichtung kann erhebliche Auswirkungen auf die Funktionseigenschaften haben.