Reißfestigkeit: Definition, Bedeutung im 3D-Druck und Messmethoden

Reißfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einem Versagen senkrecht zur angewendeten Spannung zu widerstehen. Dies wird üblicherweise getestet, indem die Kraft gemessen wird, die erforderlich ist, um einen Riss zu initiieren, während diese Kraft auf einen unconstrained Bereich nahe einer Klemme, die den Materialrand hält, angewendet wird.

Im 3D-Druck hilft die Reißfestigkeit, die strukturellen Festigkeitsvorteile bestimmter 3D-Druckkonstruktionsmethoden zu definieren. Dies ist besonders relevant für anisotrope Konstruktionsmethoden wie FDM-Druck. Anisotrope Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften je nach Modus und Orientierung des Materials. Dies kann als eine Art „Faserrichtung“ ähnlich wie bei Holz interpretiert werden, wobei Kräfte entlang der Faser (d. h. ausgerichtet auf die Bauebene und die primäre Filamentrichtung) viel besser widerstanden werden als solche, die Filamente voneinander trennen.

Reißfestigkeitswerte werden in Newton pro mm oder Pfundkraft pro Einheitsdicke (lbf/in oder N/mm) des Materialproben gemessen. Allerdings sind Ergebnisse von verschiedenen Testaufbauten nicht direkt vergleichbar, aufgrund methodischer Unterschiede. Testvorrichtungen spannen einen Teil des Probenrandes in einer festen Ebene ein und klemmen eine „freie“ Kante nahe der Einspannung. Dies ermöglicht die Anwendung einer Last senkrecht zur Probe, um einen Riss zu induzieren. Einige Tests erfordern, dass Proben einen glatten Rand haben, andere verwenden einen spezifizierten V-Kerb-Nick als Initiator, und wieder andere einen spezifizierten geraden Schnitt zu diesem Zweck. Der gemessene Wert ist die Kraft, die erforderlich ist, um das Reißen nur zu initiieren.

In diesem Artikel werden die Definition der Reißfestigkeit, ihre Beziehung zum 3D-Druck, ihre Formel und ihre Messung diskutiert.

Was ist Reißfestigkeit?

Reißfestigkeit ist der Widerstand eines Materials gegen ein senkrechtes Versagen. Reißen ist eine kritische Eigenschaft, die viele Materialien besitzen, und wird durch eine Kraft senkrecht zur Materialebene verursacht. Eine angewendete Kraft, die die Reißfestigkeit übersteigt, verursacht einen Fließpunktversagen, das das Material entlang der Linie der Krafteinwirkung trennt. Reißfestigkeit ist allgemein nützlich als Maß für das Verhalten nicht-spröder Materialien. Spröde Materialien reißen nicht, sondern brechen, wenn sie verformt werden. Das Maß wird verwendet, um die Fähigkeit von Materialien zu definieren, die sich signifikant verformen können, bevor sie versagen. Papier hat eine messbare Reißfestigkeit, wohingegen Glas keine hat, da es einen spröden Bruch erleidet. In Bezug auf nützliche Messungen wird Reißprüfung üblicherweise an Blechmaterialien wie Geweben, Papieren/Karton, flexiblen Kunststoffen und Gummi durchgeführt.

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

Die Messung der Reißfestigkeit hängt mit dem 3D-Druck zusammen, da das Verständnis der Reißwiderstandseigenschaften der verschiedenen 3D-Drucktechnologien und der Bauteilorientierung hilft, Prototypen zu erstellen, die für aktive Krafttests nützlich sind, anstatt nur für Passform und Form. Die Wahl des Prozesses, des Materialtyps und der Bauausrichtung können kritische Faktoren für die Eignung eines 3D-gedruckten Teils für den vorgesehenen Zweck sein.

Teile, die sich biegen oder Biegung widerstehen müssen, wiederholten Belastungszyklen standhalten und komplexe Belastungsszenarien durchlaufen müssen, müssen durch einen Prozess hergestellt werden, der die erforderliche Leistung liefert. Wo Flexibilität erforderlich ist, neigt ein grundlegendes SLA-Teil dazu, sofort zu brechen. Ein FDM-gedrucktes Teil hingegen, das so gebaut wurde, dass die Filamentrichtung entlang der Biegelinie liegt (statt quer oder durch sie hindurch), wird besser abschneiden. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zum 3D-Druck.

Was ist die Formel für Reißfestigkeit?

Die Formel für Reißfestigkeit lautet:

Reißfestigkeit = F/t

Ob der Riss durch einen V-Kerb oder I-Schnitt vorinitiiert wird, oder der Rand glatt und unbeschädigt ist, wird eine Kraft gemessen, die den Riss initiiert. Diese Kraft (in N oder lbf) wird dann durch die Probendicke (in mm oder Zoll) geteilt, um ein standardisiertes Maß für Kraft/Einheitsdicke zu erhalten.

Welche Einheit wird für Reißfestigkeit verwendet?

Reißfestigkeit wird in Newton pro mm oder Pfundkraft pro Zoll (N/mm oder lbf/inch) gemessen.

Wie testet man Reißfestigkeit?

Das Testen der Reißfestigkeit wird allgemein in einer Zugprüfmaschine durchgeführt. Eine Probe wird in die oberen und unteren Backen der Prüfmaschine eingespannt. Sie ist so orientiert, dass die Spannung als Reißbewegung angewendet wird. Das gängigste Format verwendet den treffend benannten Hosenbein-Test (Trouser Tear Test). Die „Beine“ einer Hosenform werden in einer Ebene eingespannt und so auseinandergezogen, als würden sie bei einem Spagat getragen. Der Versagen tritt an der Stelle auf, an der die „Beine“ der Hose zusammentreffen. Dies dehnt oder verformt den Materialrand in eine verschobene Linie (wenn mit weniger als dem Reißpunkt belastet). Die Kraft wird dann schrittweise erhöht, bis das Reißen am Spannungskonzentrator beginnt.

Drei Formen der Randvorbereitung werden angewendet: ein V-Kerb oder I-Kerb als Initiator, oder der Rand ist glatt und bildet eine unbeschädigte Kurve, wo die „Beine“ der Probe zusammentreffen. Diese Tests sind nicht notwendigerweise miteinander vergleichbar. Der Initiator führt wahrscheinlich zu einer viel geringeren Reißfestigkeit als bei ansonsten identischen Proben. Die Spannungskonzentration tritt bei viel niedrigeren Dehnungsniveaus (Ausdehnung/Verschiebung) auf.

Reißfestigkeitstests werden daher als qualitativer Test zur Demonstration des Versagensmodus betrachtet, nicht als wertvergleichender Test, um präzise Vergleiche verschiedener Materialien zu ermöglichen. Er kann für qualitative Vergleiche der Kraftresistenz identisch geformter/getesteter Materialproben verwendet werden. Quantitative Messungen in Testproben informieren jedoch wahrscheinlich nur qualitativ über Versagensrisiken in realen Bedingungen, wo Lastanwendungen selten so vereinfacht/ideal sind wie in einem Testlabor.

Wie misst man Reißfestigkeit?

Bei der Durchführung eines Tests werden entweder Gewicht oder Verschiebung und ein Kraftmessmodul auf die bewegliche Klemme angewendet. Die Kraft, bei der das Reißen initiiert 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 anwendet.

Welche Standards gibt es von ASTM International zur Messung der Reißfestigkeit verschiedener Materialien?

ASTM D264 ist der US-Prüfstandard für Reißfestigkeit und spezifiziert fünf Probentypen: A (Sichelform, rasiermessergeschnitten), B (Winkelmann), C (Graves), T (Hosenbeinriss)/ASTM D470, und CP (Constrained Path Hosenbeinriss). Für Probentypen A, B oder C ist der gemessene Reißfestigkeitswert einfach die Kraft (zur Rissinitiierung) geteilt durch die Probendicke. Für Probentypen T oder CP ist der gemessene Wert die durchschnittliche oder mittlere Kraft, die an der Kurve angewendet wird, geteilt durch die Probendicke.

ISO 34-1 ist im Prinzip direkt vergleichbar, unterscheidet sich jedoch in einer Reihe wesentlicher Details, die die beiden Prüfstandards sehr schwer direkt vergleichbar machen, selbst für identische Materialien.

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

Beispiele für Reißfestigkeit verschiedener Materialien

1. Reißfestigkeit von Geweben

Gewebe sind Materialien, die durch Verweben von Materialien wie Wolle, Nylon und Baumwolle hergestellt werden. Baumwollgewebe variieren stark in der Reißfestigkeit, abhängig vom Basismaterial und der angewendeten 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, abhängig von der Dehnungsorientierung, Polymer-Eigenschaftsvariationen und der breiten Verfügbarkeit von Polymerarten. Ergebnisse sind meist nur bei Folienmaterialien von Interesse, die Herstellungs- oder Nutzungsbelastungen ausgesetzt sind. Polymerfolien werden auch häufig mit ASTM D1922, dem Elmendorf-Reißfestigkeitstest (Ergebnisse in Gramm), getestet. Beispielsweise hat ein modaler 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 Materialtypen haben hohe Reißfestigkeit?

Bei Geweben haben synthetische Fasern höhere Reißfestigkeit. Kevlar® und Nylon sind gute Beispiele für extreme Reißfestigkeit in flexiblen Fasern. Fallschirmmaterialien bestehen aus fein gewebtem Nylon aufgrund der schweren Folgen katastrophalen Versagens. Militärische Körperpanzer und Motorradschutz bestehen allgemein aus Kevlar®, bei dem die Kombination aus geringer Elastizität und enormer Zugfestigkeit für steifere, aber zähe Stoffe sorgt.

Bei Elastomeren kommt die höchste Reißfestigkeit von Naturkautschuk und Verbindungen, die diesen enthalten. Dies ist ein Ergebnis der sehr hohen Dehnung beim Bruch von vulkanisiertem Naturkautschuk. Allerdings begünstigt die Eigenschaftsbilanz in vielen Anwendungen synthetische Kautschuke, die allgemein steifer und langlebiger sind.

Welche Materialtypen haben niedrige Reißfestigkeit?

Einige Beispiele für Materialien mit niedriger Reißfestigkeit sind: Papier, PVC-Folien, thermoplastische Kautschuke, Silikonkautschuke und Naturfasergewebe.

Was ist das Reiß-Fließ-Verhältnis?

Das Reiß-Fließ-Verhältnis ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, elastische und plastische Verformung vor dem Reißen zu zeigen. Beispielsweise werden sich Materialien, die unter Last elastisch verformen, erholen, wenn die Last entfernt wird. Wird die Elastizitätsgrenze überschritten und tritt plastische Verformung auf, wird es bei Entlastung eine gewisse Erholung geben. Wenn das Material kurz nach Erreichen des Fließpunkts reißt, ist Erholung nicht möglich. Ein hohes Reiß-Fließ-Verhältnis deutet auf ein Material hin, das bei Überlastung im Reißmodus zum Versagen neigt.

Was ist ein guter durchschnittlicher Reißfestigkeitswert für 3D-Druck?

Der durchschnittliche Reißfestigkeitswert, der im 3D-Druck als gut gilt, hängt von der Anwendung ab. Die absolute Reißfestigkeit des nativen Materials, das im Druck verwendet wird, kann dem Nutzer helfen, die gewählte Drucktechnologie und das Material zu bewerten. Viele 3D-gedruckte Materialien sind sowohl relativ schwach als auch spröde. Die Reißfestigkeit kann helfen, das Materialverhalten unter Last zu verstehen. Die relativen Reißfestigkeiten von Modellen, die in verschiedenen Maschinenausrichtungen gebaut wurden, können signifikant variieren. Wo die Reißbedrohung entlang einer primären Faserrichtung verläuft, wird das Material schwach sein. Bei dünnwandigem FDM sind beispielsweise die Filamente entlang ihrer Länge stärker als bei 90° zu dieser Achse. Die Wahl der optimalen Bauausrichtung kann einen signifikanten Einfluss auf funktionale Eigenschaften haben.