인성 측정 방법

3D 프린팅 소재는 프린트 가능성을 얻기 위해 압출 및 사출 성형 소재보다 기계적 물성이 떨아지는 경우가 많습니다.

용융 적층 모델링 방식(FDM)의 표준 재료는 인성이 좋지 않은 PLA입니다. PETG, ABS, ASA 및 PC는 PLA보다 우수한 인성을 제공하지만 이러한 재료가 잘 프린트하려면 재료 등급이 성형 또는 압출된 폴리머에 비해 분자량, 코폴리머 또는 최종 파트의 성능을 저하시키는 기타 컴포넌트가 더 낮아야 합니다.

광경화성 수지 조형 방식(SLA)은 대부분의 표준 아크릴레이트 수지는 상대적으로 인성이 약하기 때문에 부서지기 쉬운 플라스틱을 사용하는 것으로도 알려져 있습니다. 시간이 지남에 따라 Formlabs의 Tough 1500 Resin 및 Tough 2000 Resin과 같은 더 단단한 재료가 출시되었습니다. 이러한 소재는 대부분의 표준 아크릴레이트 소재보다 인성이 훨씬 우수하지만, 여전히 대부분의 열가소성 폴리머에 비해 인성 측면에서 뒤떨어집니다.

가장 견고한 소재를 사용할 수 있는 프린트 공정은 선택적 레이저 소결 방식(SLS) 입니다. 기본 Nylon 12 Powder는 PLA나 대부분의 아크릴 레진보다 훨씬 더 견고하며, Nylon 11 Power와 같은 더 견고한 옵션은 놀랍도록 질긴 파트를 제작할 수 있습니다. 이러한 재료는 FDM 재료처럼 프린트 가능성을 위해 수정할 필요가 없습니다. 또한 SLS는 모든 축에서 인성에 대한 등방성이 훨씬 우수합니다.

이처럼 다양한 제형을 고려할 때 3D 프린트 소재의 인성을 측정하는 것은 시제품 제작 이외의 까다로운 응용 분야에 대한 적합성을 정량적으로 평가할 수 있는 매우 중요한 요소입니다.

인성은 에너지를 흡수하고 파단 없이 소성 변형되는 재료의 능력으로, 인성을 정량화하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

한 가지 방법은 한 쌍의 그립으로 시편을 잡아당겨 인장 시험을 하는 ASTM D638과 같은 인장 시험을 수행하는 것입니다. 파트의 단면적에 가해지는 힘, 즉 응력은 연신율 또는 변형률에 비례하여 플롯할 수 있습니다. 작업은 힘과 거리의 점 곱입니다. 적분을 사용하여 응력-변형률 곡선 아래의 면적을 계산하면 파단 전에 흡수된 에너지를 결정할 수 있습니다.

인성을 측정하는 이 특별한 기준을 흔히 "인장 인성"이라고 하며, 인성의 의미를 이해하는 데 유용하지만 일반적으로 측정하거나 보고하지 않기 때문에 인성 값을 정량적으로 비교하기가 더 어렵고 기술 데이터 시트(TDS)에 보고되는 경우도 드뭅니다.

휴식 시 신장은 때때로 강인함의 대용품으로 사용됩니다. 재료의 극한 인장 강도가 비슷한 경우 응력-변형률 곡선 아래 영역에 대한 합리적인 근사치입니다. 이 근사치는 극한 인장 강도가 크게 다른 재료를 비교할 때 유용하지 않습니다. 연신율 자체는 인성이 아니라 연성을 나타내는 척도입니다.

*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.

간단하고 반복하기 쉬운 테스트를 통해 인성을 단일 수치로 추출하는 가장 일반적인 방법은 노치 아이조드 충격 테스트입니다. 이 테스트에서는 진자에 달린 해머가 파트를 통과하면서 흔들리고 충격 후 해머의 높이가 측정됩니다. 해머의 시작 위치와 끝 위치의 차이는 중력 포텐셜 에너지의 차이를 나타내며, 이 차이는 시험편과 충돌하는 동안 흡수된 에너지와 일치합니다. 이 에너지 값은 일반적으로 테스트 표본의 길이 또는 면적으로 나눈 값으로, J/m 또는 J/m 단위로 표시됩니다².

샤르피 충격 강도는 유사한 테스트이지만 설정이 약간 다르며 금속에 더 일반적으로 사용됩니다. 테스트는 "노치드" 또는 "언노치드" 중 하나를 선택할 수 있습니다. 노치드 변형의 경우 파트에 작은 노치가 절단되어 초기 균열원 역할을 합니다. Formlabs는 ASTM D256-10을 사용하여 재료를 평가합니다.

아이조드 충격 강도는 정량적 값을 빠르고 쉽게 얻을 수 있어 더 일반적으로 보고되지만, 플라스틱 파트에 사용되는 형상을 대표하지 못하는 두꺼운 시편(~12mm)을 대상으로 테스트합니다.

가드너 충격 강도(ASTM D4226)는 더 얇은 소재의 충격 인성을 측정하는 데 더 적합한 테스트입니다. 이 테스트는 낙하한 추를 사용하여 얇은 시편에 충격을 가한 다음 플런저가 시편을 관통했는지 검사합니다. 결과는 실패하기 전에 달성한 최대 높이 또는 흡수한 최대 에너지로 표시됩니다.

가드너 충격 강도 테스트의 시편 형상은 대부분의 플라스틱 파트를 대표하기 때문에 실제 충격 성능에 대해 더 의미 있는 측정 기준이 됩니다. 따라서 Formlabs 소재 엔지니어는 이 측정 항목에서 더 나은 성능을 발휘하도록 Tough 1500 Resin V2의 배합을 최적화했습니다.

플라스틱은 하중이 가해지는 속도에 따라 다르게 작동합니다. 충격 테스트에서는 하중이 매우 빠르게 가해지지만 실제 소재는 힘이 더 서서히 가해질 때 에너지를 흡수해야 합니다.

낮은 변형률에서 인성을 측정하는 한 가지 방법은 파단 인성을 측정하는 것입니다.

이는 균열이 전파되어 취성 파괴를 일으키는 데 필요한 임계 응력 강도 계수인 K_C 또는 재료에 균열이 전파되는 데 필요한 일(또는 에너지)인 W_f 라는 값으로 표현할 수 있습니다.

파괴 인성은 대부분의 비충격 하중에서 취성 파단에 대한 저항성을 나타내므로 가장 중요한 인성 측정 지표에 속합니다.

균열과 골절은 골절 인성처럼 하중이 가해졌을 때 발생하는 것이 아니라 시간이 지남에 따라 발생할 수도 있습니다. 균열이 반복되는 하중이 점진적으로 전파되는 것을 피로라고 합니다.

플라스틱의 피로 특성을 측정하기 위해 일반적으로 막대 모양의 시편을 수천 번 반복적으로 구부리는 Ross Flex(ASTM D1052)라는 테스트를 사용합니다.