Métodos para medir la tenacidad

En comparación con sus homólogos extruidos y moldeados por inyección, los materiales de impresión 3D a menudo sacrifican sus propiedades mecánicas a cambio de imprimibilidad. 

En el modelado por deposición fundida (FDM), el material estándar es el ácido poliláctico o PLA, que tiene poca tenacidad. El PETG, el ABS, el ASA y el PC ofrecen una tenacidad superior al PLA, pero para que estos materiales se impriman bien, deben tener pesos moleculares más bajos, copolímeros u otros componentes que reducen el rendimiento de las piezas finales respecto a los polímeros moldeados o extruidos. 

La estereolitografía (SLA) también es conocida por utilizar plásticos frágiles, ya que la mayoría de las resinas de acrilato estándar tienen una tenacidad relativamente baja. Con el tiempo, han aparecido materiales más tenaces, como la Tough 1500 Resin y la Tough 2000 Resin de Formlabs. Aunque estos materiales tienen una tenacidad considerablemente mejor que la mayoría de los materiales de acrilato estándar, siguen estando por detrás de la mayoría de los polímeros termoplásticos en cuanto a tenacidad. 

El proceso de impresión con los materiales más tenaces es el sinterizado selectivo por láser (SLS). El Nylon 12 Powder estándar es mucho más resistente que el PLA o la mayoría de las resinas acrílicas, y opciones incluso más resistentes como el Nylon 11 Powder crean piezas increíblemente tenaces. Estos materiales no necesitan ser modificados para ser más imprimibles como los materiales para FDM. Además, el SLS tiene una isotropía mucho mejor para la tenacidad en todos los ejes.

Al considerar un conjunto tan amplio de formulaciones disponibles, la medición de la tenacidad de los materiales impresos en 3D es increíblemente importante para poder evaluar cuantitativamente lo apropiados que son para usos más exigentes fuera del prototipado.

La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin romperse, pero existen varias formas de cuantificar esa capacidad.

Una forma es realizar un ensayo de tracción como el ASTM D638, en el que se estira una muestra con un par de mordazas. La fuerza que actúa sobre la sección transversal de la pieza, también conocida como esfuerzo, se puede medir en relación con el alargamiento, o deformación. El trabajo es el producto escalar de la fuerza y la distancia. Al tomar la integral para calcular el área bajo la curva esfuerzo-deformación, se puede determinar la energía absorbida antes de la fractura.

Esta forma particular de medir la tenacidad se denomina con frecuencia "tenacidad a la tracción" y, aunque es útil para ayudar a comprender el significado de la tenacidad, no se suele medir ni registrar, lo que dificulta realizar una comparación cuantitativa de los valores de tenacidad y hace que rara vez aparezca en la ficha técnica de un material.

El alargamiento de rotura se utiliza a veces como sustituto de la tenacidad. Cuando los materiales tienen una resistencia a la tracción similar, es una aproximación razonable del área bajo la curva esfuerzo-deformación, pero esta aproximación es menos útil cuando se comparan materiales con resistencias a la rotura por tracción muy diferentes. Por sí solo, el alargamiento de rotura es una medición de la ductilidad y no de la tenacidad.

*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.

La forma más común de reducir la tenacidad a un solo número en un ensayo sencillo y fácil de repetir es el ensayo de impacto Izod. En este ensayo, un martillo colocado en un péndulo oscila para chocar con una pieza y se mide la altura del martillo tras el impacto. La diferencia entre la posición inicial y la posición final del martillo representa una diferencia de energía potencial gravitatoria, y esta diferencia se corresponde con la energía absorbida durante el impacto con la muestra de ensayo. Este valor de energía se suele dividir por la longitud o el área de la muestra de ensayo, lo que nos da un valor en J/m o J/m². 

El ensayo de resiliencia de Charpy es similar, pero con una configuración ligeramente diferente, y se utiliza más comúnmente con los metales. Ambos ensayos pueden ser "entallados" o "no entallados", y en la variante entallada se corta una pequeña muesca en la pieza para que actúe como fuente inicial de grietas. Formlabs utiliza la norma ASTM D256-10 para evaluar nuestros materiales.

Aunque es más común que se registre la resistencia al impacto Izod, ya que obtener un valor cuantitativo con ella es rápido y fácil, el ensayo se realiza con una muestra gruesa (12 mm aprox.), que a menudo no resulta representativa de las geometrías utilizadas en las piezas de plástico.

El ensayo de resistencia al impacto de Gardner (ASTM D4226) es una prueba mejor para medir la tenacidad al impacto de una lámina fina de un material. El ensayo utiliza un peso que se deja caer para impactar contra una muestra delgada, que luego se examina para ver si el émbolo ha penetrado en la muestra. El resultado se expresa en términos de la altura máxima alcanzada antes del fallo o de la energía máxima absorbida. 

Dado que la geometría de la muestra para un ensayo de resistencia al impacto de Gardner es más representativa de la mayoría de las piezas de plástico, se trata de una medición más significativa del rendimiento frente a los impactos en situaciones de uso real. Por eso, los ingenieros de materiales de Formlabs han optimizado la formulación de la Tough 1500 Resin V2 para que dé un mejor resultado en esta prueba.

Los plásticos se comportan de forma diferente en función de la velocidad a la que se les aplican las cargas. En los ensayos de impacto, se aplica una carga con mucha rapidez, pero en situaciones reales, los materiales también necesitan absorber energía cuando las fuerzas se aplican de forma más gradual.

Una forma de medir la tenacidad a la fractura a velocidades de deformación más bajas es la medición de la tenacidad a la fractura.

Esto puede expresarse como un valor denominado K_C, que es el factor de intensidad de tensiones crítico para que una grieta se propague y provoque una rotura frágil; o como W_f, que es el trabajo (o energía) necesario para propagar una grieta a través del material.

La tenacidad a la fractura es una de las mediciones de tenacidad que más importan, porque representa la resistencia a la rotura frágil bajo la mayoría de las cargas que no conllevan impactos.

Las grietas y roturas también pueden producirse con el tiempo, en lugar de con la aplicación de una carga, como en la tenacidad a la fractura. La propagación gradual de las grietas con cargas repetidas se denomina fatiga.

Para medir las propiedades de fatiga de los plásticos, solemos utilizar un ensayo llamado flexión Ross (ASTM D1052), que dobla repetidamente miles de veces muestras en forma de barra.