靭性の測定方法

3Dプリント材料は、押出成形品や射出成形品と比べて、プリントしやすさを優先するために機械的特性が犠牲になりがちです。

FDM（熱溶解積層）方式では、靭性の低いPLAが標準材料として使われています。PETG、ABS、ASA、そしてPCはPLAよりも高い靭性を持ちますが、これらの材料をFDMプリントで扱いやすくするには、成形や押出成形のポリマーと比べて分子量を低くしたり、共重合体やその他の成分を配合したりする必要があり、その結果、最終製品の性能が落ちる場合があります。

SLA光造形方式も脆性のあるプラスチックを使うことで知られています。標準的なアクリレート系レジンの多くは靭性が比較的低いためです。FormlabsのTough 1500レジンやTough 2000レジンのように、より靭性の高い材料も登場するようになりました。これらの材料は標準的なアクリレート系材料よりも大幅に靭性が高いものの、熱可塑性ポリマーの大半と比べると、まだ劣る部分があります。

最も高い靭性を持つ材料を使用したプリント方式としては、SLS（粉末焼結積層造形）方式が挙げられます。デフォルトで使用されるNylon 12パウダーは、PLAや多くのアクリル樹脂よりもはるかに高い靭性を持ち、Nylon 11パウダーなどさらに強靭なオプションでは非常に頑丈なパーツを造形可能ですこれらの材料は、FDM方式で必要となるような、プリントを可能にするための特別な調整が必要ありません。さらに、SLSではあらゆる方向に対して靭性が均一になる等方性が非常に優れています。

このように幅広い材料配合が存在する中で、3Dプリント材料の靭性を測定することは、試作製作以外のより要件が厳しい用途においても、その適合性を定量的に評価するために非常に重要と言えます。

靭性とは、破壊せずにエネルギーを吸収し塑性変形する材料の能力を指しますが、その定量化方法は複数存在します。

一つの方法として、ASTM D638のような引張試験があります。試験片をグリップで引き伸ばし、引き裂く形で測定を行います。部品の断面積に対する力（応力）を、伸び（ひずみ）に対してプロットすることができます。仕事（Work）は、力と変位の積（ドット積）です。応力-ひずみ曲線の下の面積を積分することで、破壊に至るまでに吸収されたエネルギーを求めることができます。

このような特定の測定方法は「引張靭性」と呼ばれ、靭性の概念を理解するうえで有用ではありますが、一般的に測定や報告がなされにくいため、靭性の値を定量的に比較するのが難しく、テクニカルデータシート（TDS）で報告されることもあまりありません。

破断伸びは、しばしば靭性の代替指標として用いられることがあります。材料同士の最大引張強さが近い場合、破断伸びは応力-ひずみ曲線の下の面積（吸収エネルギー量）をある程度近似的に示す指標として利用できます。しかし、最大引張強さが大きく異なる材料を比較する場合には、この近似値はあまり有効ではありません。破断伸びそのものは延性の指標であり、靭性の指標ではありません。

*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.

靭性をシンプルで再現性のある試験で1つの数値に集約する最も一般的な方法が、ノッチ付きアイゾット衝撃試験です。この試験では、振り子の先端に取り付けたハンマーを試験片に当て、衝撃後のハンマーの高さを測定します。ハンマーの開始位置と終了位置の差は重力ポテンシャルエネルギーの差を表し、この差が試験片に衝突した際に材料が吸収したエネルギー量に相当します。通常、このエネルギー値は試験片の長さまたは断面積で割られ、J/mまたはJ/m²として示されます。

シャルピー衝撃試験も類似の方法ですが、試験のセットアップがやや異なり、主に金属材料の評価に用いられます。これらの試験はいずれも「ノッチ付き」と「ノッチなし」の両方で行われます。ノッチ付き試験では、初期き裂の発生源となるよう部品に小さなくぼみ（ノッチ）を設けます。Formlabsでは、材料の評価にASTM D256-10を使用しています。

アイゾット衝撃強さは数値化が簡単なため一般的に報告されますが、約12mm厚の試験片を用いるため、プラスチック部品で実際に使われる形状を反映していない場合が多いのです。

ガードナー衝撃強さ（ASTM D4226）は、より薄いシート状材料の衝撃靭性を測定するのに適した試験ですこの試験では、落下させた重りで薄片の試験片に衝撃を与え、プランジャーが試験片を貫通したかどうかを確認します。試験結果は、破断が起こるまでに到達した最大落下高さ、もしくは吸収された最大エネルギー量として示されます。

ガードナー衝撃強さ試験の試験片形状は、実際のプラスチック部品の形状により近いため、現実の使用環境における衝撃性能を評価する上でより有用な指標となります。そのため、Formlabsの材料エンジニアは、この指標においてより優れた結果を出せるよう、Tough 1500レジンV2の配合を最適化しました。

プラスチックは、荷重が加わる速度によって挙動が異なります。衝撃試験では荷重が一気に加わりますが、実際の使用環境では、より徐々に加わる力に対してエネルギーを吸収する必要もあります。

ひずみ速度が低い状況での靭性を測定する方法の一つに、破壊靭性の測定があります。

この値は、脆性破壊を引き起こす臨界応力拡大係数である「K_C」として示される場合や、亀裂が材料を貫通するまでに必要な仕事（エネルギー）を示す「W_f」として示される場合があります。

破壊靭性は、ほとんどの非衝撃荷重における脆性破壊に対する抵抗力を示すため、最も重要な靭性測定項目の一つです。

破壊靭性のように荷重によって破壊が誘発されるだけでなく、時間の経過とともに亀裂や破壊が進行することもあります。繰り返し荷重によって亀裂が徐々に進展していく現象を「疲労」と呼びます。

プラスチックの疲労特性を測定するには、棒状の試験片を何千回も反復して曲げる Ross Flex（ASTM D1052）という試験法がよく用いられます。