Metodi per misurare la tenacità

I materiali per la stampa 3D spesso sacrificano le proprietà meccaniche per la stampabilità rispetto alle loro controparti estruse e stampate a iniezione. 

Nella modellazione a deposizione fusa (FDM), il materiale standard è l'acido polilattico (PLA), che ha una scarsa tenacità. Polietilene tereftalato glicole (PETG), ABS, acrilonitrile stirene acrilato (ASA) e PC offrono una tenacità superiore a quella del PLA, ma per stampare bene questi materiali devono avere pesi molecolari inferiori, copolimeri o altri componenti che riducono le prestazioni delle parti finali rispetto ai polimeri stampati a iniezione o estrusi. 

La stereolitografia (SLA) è nota anche per l'utilizzo di plastiche fragili, poiché la maggior parte delle resine acriliche standard ha una tenacità relativamente scarsa. Nel tempo sono stati realizzati materiali più tenaci, come la Tough 1500 Resin e la Tough 2000 Resin di Formlabs. Sebbene abbiano una tenacità significativamente migliore rispetto alla maggior parte dei materiali acrilici standard, questi materiali sono ancora inferiori alla maggior parte dei polimeri termoplastici in termini di tenacità.

Il processo di stampa che permette di usare i materiali più tenaci è la sinterizzazione laser selettiva (SLS). La Nylon 12 Powder standard è molto più resistente del PLA o della maggior parte delle resine acriliche, mentre opzioni come la Nylon 11 Powder permettono di creare parti con una tenacità straordinaria. Questi materiali non hanno bisogno di essere modificati per migliorare la stampabilità, come invece succede con i materiali per la FDM. Inoltre, la SLS presenta un'isotropia molto migliore per quanto riguarda la tenacità su tutti gli assi.

Quando si considera una gamma così ampia di formulazioni disponibili, misurare la tenacità dei materiali stampati a 3D è incredibilmente importante per poter valutare quantitativamente la loro idoneità ad applicazioni più impegnative al di fuori della prototipazione.

La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia e deformarsi plasticamente senza fratturarsi ed esistono molti modi per quantificarla.

Un modo è eseguire un test di trazione come l'ASTM D638, in cui un campione viene tirato da due pinze. La forza sulla sezione trasversale della parte, o sollecitazione, può essere tracciata rispetto all'allungamento, o deformazione. Il lavoro è il prodotto scalare di forza e distanza. Prendendo l'integrale per calcolare l'area sotto la curva tensione-deformazione, è possibile determinare l'energia assorbita prima della frattura.

Questo particolare modo di misurare la tenacità viene spesso chiamato "tenacità alla trazione" e, sebbene sia utile per semplificare la comprensione del concetto di tenacità, non viene comunemente misurato o indicato, il che rende più difficile il confronto quantitativo dei valori di tenacità. Inoltre, raramente viene riportato nelle schede tecniche dei materiali (TDS).

L'allungamento a rottura viene a volte utilizzato come sostituto della tenacità. Quando i materiali hanno un carico di rottura a trazione simile, si tratta di un'approssimazione ragionevole dell'area sottostante la curva tensione-deformazione. Questa approssimazione è meno utile quando si confrontano materiali con carichi di rottura a trazione significativamente diversi. L'allungamento a rottura di per sé è una misura della duttilità e non della tenacità.

*Densetec extrusion grade homopolymer samples were obtained from McMaster-Carr (Item # 8742K129) and tested internally by Formlabs under identical conditions as the printed resin samples.

Il modo più comune per ridurre la tenacità a un singolo numero in un test semplice e facile da ripetere è il test di resistenza all'urto Izod con intaglio. In questo test, un martello su un pendolo colpisce una parte; dopo l'impatto, viene misurata l'altezza del martello. La differenza tra posizione iniziale e finale del martello rappresenta una differenza di energia potenziale gravitazionale, che corrisponde all'energia assorbita nell'impatto con il campione. Questo valore di energia viene solitamente diviso per la lunghezza o l'area del campione, ottenendo così un valore in J/m o J/m².

Il test di impatto Charpy è una prova simile, ma con una configurazione leggermente diversa e viene utilizzata più comunemente con i metalli. Entrambi i test possono avvenire con intaglio o senza intaglio. Nella prima variante, viene praticato sulla parte un piccolo intaglio che funge da fonte di frattura iniziale. Formlabs utilizza lo standard ASTM D256-10 per la valutazione dei materiali.

Sebbene la resistenza all'urto Izod sia più comunemente indicata perché ottenere un valore quantitativo è facile e veloce, viene testata su un campione spesso (~12 mm), che spesso non è rappresentativo delle geometrie utilizzate nelle parti in plastica.

La resistenza all'urto Gardner (ASTM D4226) è un test migliore per misurare la tenacità all'impatto di un foglio sottile. In questo test, un peso viene lasciato cadere su un campione sottile per poi verificare se il pistone è penetrato nel campione. Il risultato è espresso in termini di altezza massima raggiunta prima della rottura, o di energia massima assorbita. 

Poiché la geometria del campione è più rappresentativa delle parti in plastica comunemente usate, il test di resistenza all'urto Gardner è una metrica più indicativa delle prestazioni sul campo. Il team di ingegneria dei materiali di Formlabs ha quindi ottimizzato la formulazione della Tough 1500 Resin V2 per ottenere prestazioni migliori in questo test.

Le materie plastiche si comportano in modo diverso a seconda della velocità con cui si applicano i carichi. Nei test d'impatto il carico viene applicato molto rapidamente, ma sul campo i materiali devono assorbire energia anche quando le forze vengono applicate in modo più graduale.

Un modo per valutare la tenacità a tassi di deformazione inferiori è misurare la tenacità a frattura.

Questa misura può essere espressa come un valore chiamato K_C, che è il fattore critico di sforzo affinché una crepa si propaghi e provochi una frattura fragile, oppure W_f, che è il lavoro (o energia) richiesto per propagare una crepa attraverso il materiale.

La tenacità a frattura è una delle misure più importanti della tenacità, perché rappresenta la resistenza alla frattura fragile sotto la maggior parte dei carichi non d'impatto.

Le crepe e le fratture possono anche verificarsi nel tempo, anziché durante l'applicazione di un carico come nel caso della tenacità a frattura. La propagazione graduale della crepa con carichi ripetuti è chiamata fatica.

Per misurare le proprietà di resistenza alla fatica delle materie plastiche, in genere si utilizza il test di flessione Ross (ASTM D1052), in cui campioni a forma di barra vengono piegati migliaia di volte.