Résistance à la déchirure :qu'est-ce que c'est, quel est son rapport avec l'impression 3D et comment la mesurer

La résistance à la déchirure est la capacité d’un matériau à résister à une rupture perpendiculaire à la contrainte appliquée. Ceci est généralement testé en mesurant la force requise pour commencer une déchirure, tandis que cette force est appliquée à une zone non retenue proche d'une pince retenant le bord du matériau.

Dans l’impression 3D, la résistance à la déchirure aide à définir les avantages de résistance structurelle de méthodes particulières de construction par impression 3D. Ceci est particulièrement pertinent pour les méthodes de construction anisotropes telles que l'impression FDM. Les matériaux anisotropes ont des propriétés différentes selon le mode et l'orientation du matériau. Cela peut être interprété comme un « grain » similaire au bois, où les forces le long du grain (c'est-à-dire alignées avec le plan de construction et la direction du filament principal) résistent bien mieux que celles qui séparent les filaments les uns des autres.

Les valeurs de résistance à la déchirure sont mesurées en newtons par mm ou en livres de force par unité d'épaisseur (lbf/in ou N/mm) de l'échantillon de matériau. Cependant, les résultats de différentes configurations de tests ne sont pas directement comparables, en raison de différences méthodologiques. Les bancs d'essai retiennent une partie du bord de l'échantillon dans un plan fixe et fixent un bord « libre » à proximité du dispositif de retenue. Cela permet d'appliquer une charge perpendiculairement à l'échantillon pour provoquer une déchirure. Certains tests nécessitent que les échantillons aient un bord lisse, d'autres utilisent une coupe en V spécifiée comme initiateur, et d'autres encore utilisent une coupe droite spécifiée à cette fin. La valeur mesurée correspond uniquement à la force nécessaire pour initier le déchirement. 

Cet article abordera la définition de la résistance à la déchirure, sa relation avec l'impression 3D, sa formule et comment la mesurer.

Qu'est-ce que la résistance à la déchirure ?

La résistance à la déchirure est la résistance d’un matériau à une rupture perpendiculaire. La déchirure est une capacité essentielle que possèdent de nombreux matériaux et elle est provoquée par une force perpendiculaire au plan du matériau. Une force appliquée qui dépasse la résistance à la déchirure provoque une rupture de limite d'élasticité qui divise le matériau le long de la ligne d'application de la force. La résistance à la déchirure est généralement utile pour mesurer le comportement de matériaux non fragiles. Les matériaux fragiles ne se déchirent pas mais se fracturent lorsqu'ils sont déformés. La mesure est utilisée pour définir la capacité des matériaux à se déformer de manière significative avant leur rupture. Le papier a une résistance à la déchirure mesurable, contrairement au verre, car il subit une rupture fragile. En termes de mesures utiles, les tests de déchirure sont généralement effectués sur des matériaux en feuille tels que les tissus, les papiers/cartes, les plastiques flexibles et les caoutchoucs.

Quel est le lien entre la mesure de la résistance à la déchirure et l'impression 3D ?

La mesure de la résistance à la déchirure est liée à l'impression 3D dans la mesure où la compréhension des propriétés de résistance à la déchirure des différentes technologies d'impression 3D et de l'orientation de la pièce permet de créer des prototypes utiles pour les tests de force active plutôt que simplement pour l'ajustement et la forme. La sélection du processus, du type de matériau et de l'orientation de la construction peuvent être des facteurs critiques pour déterminer l'adéquation d'une pièce imprimée en 3D à l'usage prévu.

Les pièces qui doivent fléchir ou résister à la flexion, subir des cycles de chargement répétés et subir des scénarios de charge complexes doivent être fabriquées selon un processus qui offre les performances requises. Lorsque de la flexibilité est requise, une pièce SLA de base aura tendance à se briser immédiatement. En revanche, une pièce imprimée FDM qui a été construite de telle sorte que la direction du filament se situe le long de la ligne de courbure (plutôt que sur ou à travers celle-ci) fonctionnera mieux. Pour plus d'informations, consultez notre guide de l'impression 3D.

Quelle est la formule de la résistance à la déchirure ?

La formule de résistance à la déchirure est :

Résistance à la déchirure =F/t

Que la déchirure soit pré-initiée avec une entaille en V ou une coupe, ou que le bord soit lisse et intact, une force sera mesurée qui initiera la déchirure. Cette force (en N ou lbf) est ensuite divisée par l'épaisseur de l'échantillon (en mm ou en pouces) pour fournir une mesure standardisée de force/épaisseur unitaire.

Quelle est l'unité utilisée pour la résistance à la déchirure ?

La résistance à la déchirure est mesurée en newtons par mm ou en livre-force par pouce (N/mm ou lbf/pouce).

Comment tester la résistance à la déchirure ?

Les tests de résistance à la déchirure sont généralement effectués sur un banc d'essai de traction. Un échantillon est fixé sur les mâchoires supérieure et inférieure de la machine de test. Il est orienté de telle sorte que la contrainte soit appliquée comme un mouvement de déchirure. Le format le plus courant utilise le bien nommé test du pantalon. Les « jambes » ou une forme de pantalon sont serrées dans un plan et tirées comme si elles étaient portées lors d'une posture de grand écart. L'échec se produit au point de rencontre des « jambes » du pantalon. Cela étire ou déforme le bord du matériau en une ligne déplacée (lorsque la charge est inférieure au point de déchirure). La force est ensuite augmentée par étapes jusqu'à ce que la déchirure commence au niveau du concentrateur de contrainte.

Trois formes de préparation des bords sont réalisées :une entaille en V ou une entaille en I pour agir comme initiateur, ou bien le bord est lisse et forme une courbe intacte là où les "jambes" de l'échantillon se rencontrent. Ces tests ne sont pas nécessairement comparables entre eux. L'initiateur est susceptible d'entraîner une résistance à la déchirure beaucoup plus faible que celle d'échantillons par ailleurs identiques. La concentration de contrainte (force) se produit à des niveaux de déformation (extension/déplacement) beaucoup plus faibles.

Les tests de résistance au déchirement sont donc considérés comme un test qualitatif visant à démontrer le mode de défaillance plutôt qu'un test comparatif de valeurs permettant des comparaisons précises de divers matériaux. Il peut être utilisé à des fins de comparaison qualitative. de la résilience à la force d'échantillons de matériaux de forme identique/testés. Cependant, les mesures quantitatives sur les échantillons de test sont susceptibles de fournir des informations uniquement qualitatives sur les risques de défaillance dans des conditions réelles, où les applications de charge sont rarement aussi simplifiées/idéales que celles d'un laboratoire de test.

Comment mesurer la résistance à la déchirure ?

Lors de l'exécution d'un test, le poids ou le déplacement et un module de mesure de force sont appliqués à la pince mobile. La force à laquelle la déchirure est déclenchée est la mesure d'essai résultante. Les formes des échantillons et les coupes d'initiation varient, mais tous les échantillons sont disposés de manière à ce qu'une simple charge de traction applique une force de déchirure à un point prédéterminé de l'échantillon.

Quelles sont les normes de l'ASTM International pour mesurer la résistance à la déchirure de différents matériaux ?

ASTM D264 est la norme de test américaine pour la résilience à la déchirure et spécifie cinq types d'échantillons :A (croissant, entaillé par un rasoir), B (Winkelmann), C (Tombes), T (déchirure du pantalon)/ASTM D470 et CP (déchirure du pantalon à chemin contraint). Pour les éprouvettes de type A, B ou C, la valeur mesurée de la résistance à la déchirure est simplement la force (pour initier la déchirure) divisée par l'épaisseur de l'échantillon. Pour les types d'éprouvettes T ou CP, la valeur mesurée est la force moyenne ou médiane appliquée au niveau de la courbe divisée par l'épaisseur de l'éprouvette.

L'ISO 34-1 est directement comparable en principe mais diffère par un certain nombre de détails clés qui rendent les deux normes d'essai très difficiles à comparer directement, même pour des matériaux identiques.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur ASTM International.

Quels sont les exemples de résistance à la déchirure de différents matériaux ?

1. Résistance à la déchirure du tissu

Les tissus sont des matériaux produits en tissant ensemble des matériaux tels que la laine, le nylon et le coton. La résistance à la déchirure des tissus en coton varie considérablement en fonction du matériau de base et de la force appliquée.

2. Résistance à la déchirure du caoutchouc

Les valeurs pour divers matériaux en caoutchouc sont :le caoutchouc naturel (23,95 +/-1,85 kN/m), le caoutchouc nitrile (9,14 +/-1,54 kN/m), le caoutchouc styrène-butadiène (4,88 +/-0,47 kN/m) et le caoutchouc EPDM (7,27 +/-0,86 kN/m).

3. Résistance à la déchirure du plastique

Les valeurs de résistance à la déchirure des plastiques varient en fonction de l'orientation d'allongement, des variations des propriétés du polymère et de la grande disponibilité des types de polymères. Les résultats ne s'intéressent généralement qu'aux matériaux de film qui seront soumis à des contraintes de fabrication ou d'utilisation. Les films polymères ont également tendance à être testés à l'aide de la norme ASTM D1922, le test de résistance à la déchirure d'Elmendorf (résultats en grammes). Par exemple, un HDPE modal a une résistance à la déchirure Elmendorf de 120 g MD (sens machine) et de 24 g TD (sens transversal). Le LDPE, quant à lui, a une résistance à la déchirure Elmendorf de 320 g MD et 170 g TD.

Quels sont les types de matériaux à haute résistance à la déchirure ?

Dans les tissus, les fibres synthétiques ont une plus grande résistance à la déchirure. Le Kevlar® et le nylon sont de bons exemples de résistance extrême à la déchirure des fibres flexibles. Les matériaux des parachutes sont fabriqués à partir de nylon finement tissé en raison des graves conséquences d'une défaillance catastrophique. Les gilets pare-balles militaires et les gilets de moto sont généralement en kevlar®, dans lequel la combinaison d'une faible élasticité et d'une énorme résistance à la traction permet d'obtenir des tissus plus rigides mais plus résistants.

Dans les élastomères, la résistance à la déchirure la plus élevée provient des caoutchoucs naturels et des composés qui en contiennent. Ceci est le résultat de l'allongement très élevé à la rupture du caoutchouc naturel (vulcanisé). Cependant, l'équilibre des propriétés favorise les caoutchoucs synthétiques dans de nombreuses applications, qui sont généralement plus rigides et plus durables.

Quels sont les types de matériaux à faible résistance à la déchirure ?

Quelques exemples de matériaux à faible résistance à la déchirure sont :le papier, les films PVC, les caoutchoucs thermoplastiques, les caoutchoucs de silicone et les tissus en fibres naturelles.

Qu'est-ce que le taux de déchirure ?

Le taux de résistance à la déchirure est une mesure de la capacité d'un matériau à se déformer élastiquement et plastiquement avant de se déchirer. Par exemple, les matériaux qui se déforment élastiquement sous une charge récupéreront lorsque la charge sera supprimée. Si la limite élastique est dépassée et qu'une déformation plastique se produit, il y aura une certaine récupération une fois déchargée. Si le matériau se déchire peu après avoir atteint la limite d'élasticité, la récupération ne sera pas possible. Un taux de résistance à la déchirure élevé indique un matériau susceptible de se briser lorsqu'il est surchargé en mode déchirure.

Quelle est la mesure moyenne de la résistance à la déchirure pour l'impression 3D ?

La mesure moyenne de la résistance à la déchirure considérée comme bonne en impression 3D dépend de l’application. La résistance absolue à la déchirure du matériau natif utilisé dans l’impression peut aider l’utilisateur à évaluer la technologie et le matériau d’impression sélectionnés. De nombreux matériaux imprimés en 3D sont à la fois relativement fragiles et cassants. La résistance à la déchirure peut aider à comprendre le comportement du matériau sous charge. Les résistances relatives à la déchirure des modèles construits dans diverses orientations de machine peuvent varier considérablement. Lorsque le risque de déchirure s'étend dans le sens principal du grain, le matériau sera fragile. Dans le FDM à section mince, par exemple, les filaments sont plus résistants sur leur longueur qu'à 90° par rapport à cet axe. La sélection de l'orientation de construction optimale peut avoir un effet significatif sur les propriétés fonctionnelles.