Geavanceerde 3D-printtechnieken voor elektrostatische ontlading (ESD) veilige producten

Elektrostatische ontlading is een veelvoorkomend fenomeen in de natuur. Het kan opgewekt worden door een elektrisch kortsluiting (kortsluiting), een dielectrische doorbraak, of wanneer contact ontstaat tussen twee elektrisch geladen objecten (statische elektriciteit), wat resulteert in een plotselinge en korte stroom van elektrische stroom. ESD wordt op twee manieren gegenereerd. Eén ervan is tribo-loading, wat optreedt wanneer twee materialen samengevoegd en daarna gescheiden worden, wat resulteert in een verschil in elektrisch potentieel. De andere reden voor ESD-gebeurtenissen is electrostatische inductie. Het treedt op wanneer een elektrisch geladen object in de buurt is van een geleidend object dat niet in contact is met de aarde.

Video 1. Elektrostatische ontladingsrisico's in de luchtvaart. Bron: Aircraft Science.

Iedereen heeft op een gegeven moment in hun leven een ESD-gebeurtenis meegemaakt. Er zijn talrijke voorbeelden van ESD in het dagelijks leven, waaronder bliksem, haarstatische elektriciteit door nylon/wollen kleding, een plastic kam of een glijbaan, styrofoam dat aan de huid kleeft, de stof die op het TV-scherm verzamelt seconden na het schoonmaken, de bekende "vonk" of "schok" bij het aanraken van een deurklink of een ander persoon.

Risico's geassocieerd met ESD

ESD-gebeurtenissen zijn meestal onschadelijk, hoewel irritant, voor mensen. Statische elektriciteit kan ook een heel nuttig fenomeen zijn. Technologieën gebaseerd op statische elektriciteit worden gebruikt in fotokopieers, elektrostatische neerslag in luchtzuiverers, elektrostatische spuitverf, of drogerbladen/drogerballen. Echter, in bepaalde contexten kan ESD heel gevaarlijk zijn en funeste gevolgen hebben, vooral in de productie of hoge-risico industrieën.

Afbeelding 1. De ernstige gevolgen van een ESD-gebeurtenis op een moederbord. Bron: Techno FAQ.

ESD is zeer dreigend voor gevoelige elektronica, met name geïntegreerde circuits en microchips. Ze kunnen permanent beschadigd worden (catastrofale of latente schade) wanneer een hoge-spanningsstroom door ze heen passeert. Dit kan op drie manieren gebeuren:

1. HBM (Human Body Model) - het menselijk lichaam overdraagt een elektrostatische lading aan een apparaat.

2. MM (Machine Model) - een geladen geleidend object, zoals een metaal gereedschap of bevestiging, overdraagt een elektrostatische lading.

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

Elektrostatische ontlading is ook extreem gevaarlijk in omgevingen met potentieel explosieve atmospheres, zoals ruimten die gas, brandstofdamp, koolstofstof of zelfs bloemstof bevatten.

ESD-preventie

ESD-preventie is van het grootste belang op productievloeren, verzendcentra, of in ruimten met brandbare en explosieve atmospheres.

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

Er zijn veel antistatische materialen, stoffen en apparaten geëlaboreerd en geproduceerd speciaal voor het doel om mensen en apparaten te beschermen tegen de gevolgen van elektrostatische ontlading. ESD-beschermingsoplossingen omvatten:

• Chemische agentia.

• Elektrische aarding.

• ESD-kleding, antistatische polsbanden, ESD-jigs en fixtures.

• Antistatische tassen voor de opslag en verzending van elektronica.

• Ionisatiestaven op productielijnen.

• ESD-kantoormeubilair.

• Schone kamers ontworpen om stof, airborne organismen of verdampte deeltjes buiten te houden, en virussen, schadelijke stoffen of straling binnen te houden.

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

Correcte ESD-beveiliging kan niet alleen apparaatstoringen voorkomen, maar ook financiële verliezen door falen verminderen en zelfs levens redden.

ESD-veiligheid in 3D-printen

Aftrekende productiemethoden, zoals injectiegieten en CNC-bewerking, bestaan al lang en zijn geweldig voor grootschalige productie van gestandaardiseerde tools. Maar wanneer het gaat om het produceren van kleine hoeveelheden hoog gecustomiseerde tools, jigs, of fixtures, is additieve productie de beste optie. Het ontwerpen en maken van gietvormen duurt heel lang en het rekent zich niet voor het produceren van kleine hoeveelheden gecustomiseerde tools en fixtures. Bovendien zijn geavanceerde kunststoffen gebruikt in CNC-bewerking erg duur en verspillen vaak tijdens het bewerkingsproces. Het gebruik van 3D-printen om gecustomiseerde specialistische tools, jigs, en fixtures in-house en on-demand te maken is een stap vooruit voor veel bedrijven omdat het veel voordelen heeft. Als het juiste materiaal gebruikt wordt, kan een 3D-geprinte versie van een traditionele tool of fixture sterker, meer corrosiebestendig, lichter, en veel goedkoper en sneller in-house gemaakt worden dan via externe aannemers door injectiegieten of CNC-bewerking. Al dit geeft fabrikanten grotere flexibiliteit en de mogelijkheid om de werkprocessen aan te passen aan de behoeften van het bedrijf. 3D-printen duurt minder lang, is betaalbaarder, en elimineert materiaalverspilling aangezien alleen wat nodig is geprint gaat worden.

Video 2. Een succescase - Mercury Systems beginnen met 3D-printen van ESD-veilige tools en fixtures. Bron: Essentium.

ESD-veiligheid is geen uitzondering, aangezien 3D-printen - de snel aanpassende discipline die het is - al een goed geteste en betrouwbare oplossing heeft voor het maken van antistatische tools, jigs, en fixtures. ESD-veilige materialen in 3D-printen kunnen in veel vormen voorkomen. Er zijn antistatische filamenten, pellets, harsen, en poeders.

Filamenten

ESD-veilige filamenten gebruiken diverse technieken om de antistatische eigenschappen te bereiken, de meest voorkomende zijn roetstof of grafiet vullers. De hoeveelheid koolstofvuller in het polymere bepaalt het niveau van oppervlakteweerstand (gemeten in Ohms) - elektrisch geleidend, dissipatief of isolerend. Een andere manier om een materiaal antistatisch te maken is om antistatische coatings toe te voegen of, zoals in het geval van Essentium, een oppervlaktelaag van conductieve nanopolymeren om het risico op prestatiedegradering dat vaak gezien wordt met ESD-vullers of coatings te verminderen.

Afbeelding 3. Een harde schijfbehuizing (links) en een geleidingsmeter 3D-geprint met het Zortrax-Z ESD V2 PET-gebaseerde filament. Bron: Zortrax.

Bijna alle polymeren die algemeen gebruikt worden in 3D-printen hebben een ESD-veilige optie. Er zijn antistatische standaardkunststoffen (ABS, PLA) en engineering kunststoffen (PA, PET, PCTG), alsook antistatische kunststoffen ontworpen voor geavanceerde toepassingen (PEKK, TPU).

Afbeelding 4: Beveiligde elektronische behuizingen geprint 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.

Naast toepassingen in de luchtvaartindustrie, kan dit filament gebruikt worden om 3D te printen wrijvingsbestendige paneelbekledingen, ESD-veilige opbergdozen of ESD-veilige stofkappen. Stof en andere deeltjes neigen ertoe statische elektriciteit op te hopen en systeemstoringen te provoqueren in veel elektronicafabrieken.

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

Harsen en poeders

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

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

ESD-veilige harsen en poeders zijn goed voor 3D-printen van antistatische tools, jigs en fixtures voor de productie, montage en test van elektronische componenten, alsook voor de productie van componenten voor gebruik in explosieve atmospheres. Sommige ESD-veilige materialen hebben zelfs stofafstotende eigenschappen. Zoals eerder gezegd, stof en andere deeltjes neigen ertoe statische elektriciteit op te hopen 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. Tools en fixtures geprint met de Formlabs stofafstotende ESD-hars. Bron: Formlabs.

Zo'n materiaal is de Formlabs ESD-hars, die gebruikt kan worden om tools en fixtures te 3D-printen voor zelfs de meest veeleisende productieomstandigheden.

Formlabs IBT hars Sinterit PA11 ESD poeder Precise ESD-pincetten Novus 1 antistatische 3D-printer reiniger

ESD-accessoires

ESD-veiligheid in de 3D-printwereld is niet alleen beperkt tot printen van filamenten, harsen, en poeders. Er zijn ook diverse reinigingsmiddelen en accessoires die ESD-veiligheid garanderen tijdens het printproces of het onderhoud van de 3D-printer. De Lawand ESD-precisiepincetten zijn nuttig wanneer het gaat om het verwijderen van onderdelen van de bouwplaat, het schoonmaken van materiaal uit de nozzle, het verwijderen van ondersteuningen of printeronderhoud. Om het risico op een ESD-gebeurtenis die de elektronica van de 3D-printer kan beschadigen te minimaliseren, wordt aanbevolen de ESD-veilige precisiepincetten te gebruiken.

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

Een andere voorzorgsmaatregel op het moment van 3D-printen is het waarborgen dat het printoppervlak vrij is van stof, deeltjes en statische elektriciteit. Een manier om dat te garanderen is om een reiniger van een of ander type te gebruiken, bijvoorbeeld de Novus 1 acrylaatreiniger voor harstanks. Het schoonmaakt kunststoffen zonder ze te krassen en voorkomt vaagheid, stoot stof af en elimineert statische lading. Het is cruciaal voor succesvolle SLA-prints omdat vuil in de harstank de laser kan afbuigen en resulteren in mislukte prints.

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

De 3D-printindustrie is aan de taak om de behoeften van zelfs de meest veeleisende industrieën te voldoen die tools, materialen en technologieën vereisen die niet alleen superieure prestaties maar ook veelzijdigheid van gebruik en veiligheid kunnen garanderen. Materialen met ESD-veilige eigenschappen kunnen gevonden worden in FDM-printen (antistatische filamenten en pellets), SLA-printen (ESD-harsen), en SLS (anti-ESD poeders). De veiligheid van printoppervlakken is ook gedekt dankzij ESD-veilige 3D-printer onderhoudstools en reinigingsaccessoires.