3D-printtechnologieën voor ESD-veilige producten

Elektrostatische ontlading is een veel voorkomend verschijnsel in de natuur . Het kan worden veroorzaakt door een elektrische kortsluiting (kortsluiting), een diëlektrische storing of wanneer er contact is tussen twee elektrisch geladen objecten (statische elektriciteit), wat resulteert in een plotselinge en korte stroom van elektrische stroom. ESD wordt meestal op twee manieren gegenereerd. Een daarvan is tribolading, wat optreedt wanneer twee materialen worden samengevoegd en vervolgens gescheiden, wat resulteert in een verschil in elektrische potentiaal . De andere reden voor het optreden van ESD-gebeurtenissen is elektrostatische inductie. Het treedt op wanneer een elektrisch geladen object zich in de buurt van een geleidend object bevindt dat geen contact heeft met de grond.

Video 1. Risico's van elektrostatische ontlading in de luchtvaart. Bron:Vliegtuigwetenschap.

Iedereen heeft wel eens een ESD-gebeurtenis meegemaakt. Er zijn tal van alledaagse voorbeelden van elektrostatische ontlading, waaronder blikseminslag, statisch haar veroorzaakt door nylon/wollen kleding, een plastic kam of een glijbaan, piepschuim dat aan de huid kleeft, het stof dat zich ophoopt op het tv-scherm seconden nadat het is schoongemaakt, de beroemde " spark' of 'kick' bij het aanraken van een deurknop of een andere persoon.

Risico's verbonden aan ESD

ESD-gebeurtenissen zijn meestal onschadelijk, hoewel vervelend, voor mensen . Statische elektriciteit kan ook een zeer nuttig fenomeen zijn. Technologieën op basis van statische elektriciteit worden gebruikt in fotokopieerapparaten, elektrostatische stofvangers in luchtreinigers, elektrostatisch spuiten of droogvellen/drogerballen. In bepaalde contexten kan ESD echter zeer gevaarlijk zijn en ernstige gevolgen hebben, vooral in productie- of risicovolle industrieën.

Afbeelding 1. De ernstige gevolgen van een ESD-gebeurtenis op een moederbord. Bron:Veelgestelde vragen over technologie.

ESD is zeer bedreigend voor gevoelige elektronica , vooral geïntegreerde schakelingen en microchips. Ze kunnen permanent worden beschadigd (catastrofale of latente schade) wanneer er een hoogspanningsstroom doorheen gaat. Dit kan op drie manieren gebeuren:

1. HBM (Human Body Model) - het menselijk lichaam brengt een elektrostatische lading over op een apparaat.

2. MM (machinemodel)  - een geladen geleidend object, zoals een metalen gereedschap of armatuur, brengt een elektrostatische lading over opladen.

3. CDM (Charged Device Model) - treedt op wanneer een elektrostatische lading wordt overgedragen via een verpakking of een werkoppervlak.

Elektrostatische ontlading is ook extreem gevaarlijk in omgevingen met potentieel explosieve atmosferen , zoals ruimtes met gas, brandstofdamp, kolenstof of zelfs meelstof.

ESD-preventie

ESD-preventie is van het grootste belang op productievloeren, verzendingscentra of in ruimtes met een ontvlambare en explosieve atmosfeer.

Afbeelding 2. Een ESD-veilige werkplek. Bron:Safety Working TECH.

Er zijn veel antistatische materialen, stoffen en apparaten die speciaal zijn ontwikkeld en vervaardigd om mensen en apparaten te beschermen tegen de gevolgen van elektrostatische ontlading. ESD-beveiligingsoplossingen omvatten:

• Chemische agentia.

• Elektrische aarding.

• ESD-kleding, antistatische polsbandjes, ESD-mallen en armaturen.

• Antistatische zakken voor de opslag en verzending van elektronica.

• Ioniserende staven op productielijnen.

• ESD-kantoormeubilair.

• Clean rooms ontworpen om te voorkomen dat stof, in de lucht verspreide organismen of verdampte deeltjes binnendringen en om virussen en schadelijke stoffen te voorkomen of straling om naar buiten te komen.

• Antistatische systemen van machines die elektronen of foto-emissie gebruiken om ESD te verminderen.

Een goede ESD-beveiliging kan niet alleen apparaatstoringen beschermen, maar ook financiële verliezen als gevolg van storingen verminderen en zelfs levens redden.

ESD-veiligheid bij 3D-printen

Subtractieve productiemethoden, zoals spuitgieten en CNC-bewerkingen, bestaan ​​al heel lang en zijn ideaal voor grootschalige productie van gestandaardiseerde gereedschappen. Maar als het gaat om het produceren van kleine hoeveelheden zeer op maat gemaakte gereedschappen, mallen of armaturen, additieve fabricage is de beste optie . Het ontwerpen en maken van mallen duurt erg lang en het loont niet om kleine hoeveelheden op maat gemaakte gereedschappen en armaturen te produceren. Bovendien zijn geavanceerde kunststoffen die bij CNC-bewerkingen worden gebruikt, erg duur en verspillen ze vaak tijdens het bewerkingsproces. Het gebruik van 3D-printen om in eigen beheer en op aanvraag op maat gemaakte specialistische gereedschappen, mallen en armaturen te maken, is een stap voorwaarts voor veel bedrijven omdat het vele voordelen heeft. Als het juiste materiaal wordt gebruikt, kan een 3D-geprinte versie van een traditioneel gereedschap of armatuur sterker, beter bestand tegen corrosie, lichter en veel goedkoper en sneller in eigen beheer worden gemaakt in plaats van via externe aannemers door middel van spuitgieten of CNC-bewerking. Dit alles geeft fabrikanten grotere flexibiliteit en de mogelijkheid tot maatwerk de werkprocessen op basis van de behoeften van het bedrijf. 3D-printen kost minder tijd, is betaalbaarder en elimineert materiaalverspilling, aangezien alleen wordt geprint wat nodig is.

Video 2. Een succesverhaal - Mercury Systems start met het 3D-printen van ESD-veilige gereedschappen en armaturen. Bron:Essentium.

ESD-veiligheid is geen uitzondering , sinds 3D-printen - de snel veranderende discipline die het is - heeft al een beproefde en betrouwbare oplossing voor het maken van antistatische gereedschappen, mallen en armaturen. ESD-veilige materialen in 3D-printen kunnen in vele vormen voorkomen. Er zijn antistatische filamenten, pellets, harsen en poeders.

Filamenten

ESD-veilige filamenten verschillende technologieën gebruiken om de antistatische eigenschappen te bereiken , de meest voorkomende zijn roet of grafiet vulstoffen . De hoeveelheid koolstofvulstof in het polymeer bepaalt het niveau van oppervlakteweerstand (gemeten in Ohm) - elektrisch geleidend, dissipatief of isolerend. Een andere manier om een ​​materiaal antistatisch te maken, is door toe te voegen antistatische coatings of , zoals het geval is met Essentium , een oppervlaktelaag van geleidende nanopolymeren om het risico van prestatievermindering te verminderen die vaak wordt waargenomen bij ESD-vulstoffen of coatings.

Afbeelding 3. Een behuizing van een harde schijf (links) en een geleidbaarheidsmeter 3D geprint met het Zortrax-Z ESD V2 PET-filament. Bron:Zortrax.

Bijna alle polymeren die veel worden gebruikt bij 3D-printen hebben een ESD-veilige optie. Er zijn antistatische standaard kunststoffen (ABS, PLA) en technische kunststoffen (PA, PET, PCTG), evenals antistatische kunststoffen die zijn ontworpen voor geavanceerde toepassingen (PEKK, TPU).

Afbeelding 4:Beveiligde elektronicabehuizingen bedrukt met ESD PLA van 3DXTech (links) en ESD ABS van Nanovia (rechts). Bron:Filament2Print.

Er zijn antistatische filamenten ontworpen voor specifieke sectoren, zoals de Essentium TPU 58D-AS uit de familie van flexibele geavanceerde filamenten.

Afbeelding 5. Tags 3D geprint met TPU 58D-AS. Bron:Essentium.

Behalve toepassingen in de lucht- en ruimtevaartindustrie, dit filament kan worden gebruikt voor het 3D-printen van slijtvaste paneelafdekkingen, ESD-veilige opbergdozen of ESD-veilige stofkappen. Stof en andere deeltjes hebben de neiging om statische elektriciteit op te hopen en systeemstoringen in veel elektronicafabrieken te veroorzaken.

Nanovia ABS ESD 3DXSTAT ESD PLA Essentium TPU 58D-AS Zortrax Z-ESD V2

Harsen en poeders

Er zijn ook non-filament opties voor 3D-printen ESD-veilig objecten , zoals harsen voor SLA 3D-printen , en poeders voor SLS 3D-printen . Ze hebben allemaal uitstekende eigenschappen, afhankelijk van de kunststof en de beoogde toepassingen - variërend van de auto-industrie en wetenschappelijk-technische instrumentatie tot consumentenelektronica.

Afbeelding 6. 3D geprinte behuizingen met PA11 ESD van Sinterit. Bron:Sinterit.

ESD-veilige harsen en poeders zijn goed voor het 3D-printen van antistatische gereedschappen, mallen en armaturen voor de productie, assemblage en het testen van elektronische componenten, evenals voor de productie van componenten voor gebruik in explosieve atmosferen. Sommige ESD-veilige materialen hebben zelfs stofafstotende eigenschappen . Zoals eerder vermeld, hebben stof en andere deeltjes de neiging om statische elektriciteit op te bouwen en het risico op ESD-gebeurtenissen te vergroten . Aangezien de meeste kunststoffen stof en vuil aantrekken, is het gebruik van een ESD-veilige optie veel veiliger in ESD-gevoelige omgevingen.

Afbeelding 7. Gereedschappen en armaturen bedrukt met de Formlabs stofafstotende ESD-hars. Bron:Formlabs.

Een van die materialen is deFormlabs ESD-hars , die kan worden gebruikt voor het 3D-printen van gereedschappen en armaturen voor zelfs de meest veeleisende productieomstandigheden.

Formlabs IBT-hars Sinterit PA11 ESD-poeder Precieze ESD-pincet Novus 1 antistatische 3D-printerreiniger

ESD-accessoires

ESD-veiligheid in de 3D-printwereld beperkt zich niet alleen tot het printen van filamenten, harsen en poeders . Er zijn ook verschillende schoonmaakmiddelen en accessoires die zorgen voor ESD-veiligheid tijdens het printproces of het onderhoud van de 3D-printer. De Lawang ESD-precisiepincet is handig als het gaat om het verwijderen van onderdelen van de bouwplaat, het reinigen van materiaal uit het mondstuk, het verwijderen van steunen of printeronderhoud. Om het risico op een ESD-gebeurtenis die de elektronica van de 3D-printer zou kunnen beschadigen, te minimaliseren, wordt aanbevolen om de ESD-veilige precisie-pincet te gebruiken.

Afbeelding 8. Lawang ESD-veilige precisiepincet. Bron:Filament2Print.

Een andere voorzorgsmaatregel die u moet nemen op het moment van 3D-printen, is ervoor te zorgen dat het printoppervlak stofvrij, deeltjes en statische elektriciteit . Een manier om ervoor te zorgen dat u een of andere reiniger gebruikt, bijvoorbeeld de Novus 1 acrylreiniger voor harstanks. Het reinigt kunststoffen zonder ze te bekrassen en voorkomt beslaan, stoot stof af en elimineert statische lading. Het is cruciaal voor succesvolle SLA-afdrukken omdat vuil in de harstank de laser kan afbuigen en resulteren in mislukte afdrukken.

Afbeelding 9. Novus 1 acryl reiniger voor harstanks, elimineert stof, vuil en statische lading. Bron:Formlabs.

De 3D-printindustrie is klaar om te voldoen aan de behoeften van zelfs de meest veeleisende industrieën die gereedschap, materialen en technologie nodig hebben s die niet alleen superieure prestaties kunnen garanderen, maar ook veelzijdigheid in gebruik en veiligheid. Materialen met ESD-veilige eigenschappen is te vinden in FDM-afdrukken (antistatische filamenten en pellets), SLA-afdrukken (ESd-harsen), en SLS (anti-ESD-poeders). De veiligheid van printoppervlakken is ook gedekt dankzij ESD-veilige onderhoudstools voor 3D-printers en reinigingsaccessoires.