Herstellung von ESD-Produkten mit 3D-Druck

Elektrostatische Entladung ist ein in der Natur weit verbreitetes Phänomen. Sie kann durch einen elektrischen Kurzschluss, einen dielektrischen Durchschlag oder durch den Kontakt zwischen zwei elektrisch geladenen Gegenständen (statische Elektrizität) ausgelöst werden, was zu einem plötzlichen und kurzen Stromfluss führt. ESD wird in der Regel auf zwei Arten erzeugt. Eine davon ist die Triboaufladung, die auftritt, wenn zwei Materialien verbunden und dann getrennt werden, was zu einer Differenz des elektrischen Potenzials führt. Der andere Grund für das Auftreten von ESD-Ereignissen ist die elektrostatische Induktion. Sie tritt auf, wenn sich ein elektrisch geladenes Objekt in der Nähe eines leitenden Objekts befindet, das keinen Kontakt zur Erde hat. 

Video 1. Risiken elektrostatischer Entladungen in der Luftfahrt. Quelle: Aircraft Science. 

Jeder hat in seinem Leben schon einmal ein ESD-Ereignis erlebt. Es gibt zahlreiche alltägliche Beispiele für ESD, darunter Blitze, statische Aufladung der Haare durch Nylon/Wolle, einen Plastikkamm oder eine Rutsche, Styropor, das auf der Haut klebt, der Staub, der sich Sekunden nach der Reinigung auf dem Fernsehbildschirm sammelt, der berühmte "Funke" oder "Kick" beim Berühren eines Türknaufs oder einer anderen Person.

Risiken im Zusammenhang mit ESD

ESD-Ereignisse sind für den Menschen meist harmlos, wenn auch lästig. Statische Elektrizität kann auch ein sehr nützliches Phänomen sein. Technologien, die auf statischer Elektrizität beruhen, werden in Fotokopierern, elektrostatischen Abscheidern in Luftreinigern, elektrostatischen Spritzlackierungen oder Trocknertüchern/Trocknerbällen eingesetzt. In bestimmten Zusammenhängen kann ESD jedoch sehr gefährlich sein und schwerwiegende Folgen haben, insbesondere in der verarbeitenden Industrie oder in Hochrisikobranchen.

Bild 1. Die schwerwiegenden Folgen eines ESD-Ereignisses auf einer Hauptplatine. Quelle: Techno FAQ. 

ESD ist eine große Gefahr für empfindliche Elektronik, insbesondere für integrierte Schaltungen und Mikrochips. Sie können dauerhaft beschädigt werden (katastrophale oder latente Schäden), wenn sie von einer hohen Spannung durchflossen werden. Dies kann auf drei Arten geschehen:

1. HBM (Human Body Model) - Der menschliche Körper überträgt eine elektrostatische Ladung auf ein Gerät.

2. MM (Machine Model)  - ein aufgeladener leitender Gegenstand, z. B. ein metallisches Werkzeug oder eine Vorrichtung, überträgt eine elektrostatische Ladung.

3. CDM (Charged Device Model) - entsteht, wenn eine elektrostatische Ladung durch eine Verpackung oder eine Arbeitsfläche übertragen wird.

Elektrostatische Entladungen sind auch in Umgebungen mit explosionsgefährdeter Atmosphäre, z. B. in Räumen, die Gas, Kraftstoffdämpfe, Kohlenstaub oder sogar Mehlstaub enthalten, äußerst gefährlich.

ESD-Verhinderung

ESD-Prävention ist in Produktionshallen, Versandzentren oder in Räumen mit entflammbaren und explosiven Atmosphären von größter Bedeutung.  

Bild 2. Ein ESD-sicherer Arbeitsbereich. Quelle: Safety Working TECH.

Es gibt viele antistatische Materialien, Stoffe und Geräte, die speziell für den Schutz von Menschen und Geräten vor den Folgen elektrostatischer Entladung entwickelt und hergestellt werden. ESD-Schutzlösungen umfassen:

• Chemische Stoffe.

• Elektrische Erdung.
• ESD-Kleidung, antistatische Handgelenkbänder, ESD-Vorrichtungen und -Halterungen.
• Antistatische Taschen für die Lagerung und den Versand von Elektronik.
• Ionisationsstäbe an Produktionslinien.
• ESD-Büromöbel.
• Reinräume, die so konzipiert sind, dass Staub, Luftorganismen oder verdampfte Partikel nicht ins Innere gelangen und Viren, Schadstoffe oder Strahlung nicht nach außen dringen können.
• Antistatiksysteme von Maschinen, die Elektronen- oder Photoemission zur Reduzierung von ESD nutzen.

Ein angemessener ESD-Schutz kann nicht nur vor Gerätefehlfunktionen schützen, sondern auch ausfallbedingte finanzielle Verluste verringern und sogar Leben retten.

ESD-Sicherheit beim 3D-Druck

Subtraktive Fertigungsverfahren wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung gibt es schon lange und sie eignen sich hervorragend für die Großserienfertigung standardisierter Werkzeuge. Wenn es jedoch um die Herstellung kleiner Mengen hochgradig individueller Werkzeuge, Vorrichtungen oder Halterungen geht, ist die additive Fertigung die beste Option. Der Entwurf und die Herstellung von Formen nimmt sehr viel Zeit in Anspruch und lohnt sich nicht, wenn es um die Herstellung kleiner Mengen kundenspezifischer Werkzeuge und Vorrichtungen geht. Außerdem sind moderne Kunststoffe, die bei der CNC-Bearbeitung verwendet werden, sehr teuer und gehen während des Bearbeitungsprozesses oft verloren. Der Einsatz des 3D-Drucks zur Herstellung von kundenspezifischen Spezialwerkzeugen, Vorrichtungen und Halterungen im eigenen Haus und auf Anfrage ist für viele Unternehmen ein Schritt nach vorn, da er viele Vorteile bietet. Wenn das richtige Material verwendet wird, kann eine 3D-gedruckte Version eines herkömmlichen Werkzeugs oder einer Vorrichtung stabiler, korrosionsbeständiger und leichter sein und viel billiger und schneller im eigenen Haus hergestellt werden als bei externen Auftragnehmern durch Spritzgießen oder CNC-Bearbeitung. All dies bietet den Herstellern eine größere Flexibilität und die Möglichkeit, die Arbeitsprozesse auf die Bedürfnisse des Unternehmens abzustimmen. Der 3D-Druck benötigt weniger Zeit, ist erschwinglicher und vermeidet Materialverschwendung, da nur das gedruckt wird, was benötigt wird.

Video 2. Ein Erfolgsbeispiel - Mercury Systems beginnt mit dem 3D-Druck von ESD-sicheren Werkzeugen und Vorrichtungen. Quelle: Essentium.

Die ESD-Sicherheit bildet hier keine Ausnahme, denn der 3D-Druck - eine sich schnell entwickelnde Disziplin - verfügt bereits über eine gut getestete und zuverlässige Lösung für die Herstellung antistatischer Werkzeuge, Vorrichtungen und Halterungen. ESD-sichere Materialien für den 3D-Druck gibt es in vielen Formen. Es gibt antistatische Filamente, Pellets, Harze und Pulver.

Filamente

ESD-sichere Filamente verwenden verschiedene Technologien zur Erzielung der antistatischen Eigenschaften, wobei die gängigsten Füllstoffe Ruß oder Graphit sind. Die Menge des Kohlenstofffüllstoffs im Polymer bestimmt den Grad des Oberflächenwiderstands (gemessen in Ohm) - elektrisch leitend, ableitend oder isolierend. Eine weitere Möglichkeit, ein Material antistatisch zu machen, besteht darin, antistatische Beschichtungen oder, wie im Fall von Essentium, eine Oberflächenschicht aus leitfähigen Nanopolymeren hinzuzufügen, um das Risiko einer Leistungsverschlechterung zu verringern, das bei ESD-Füllstoffen oder -Beschichtungen häufig auftritt.

Bild 3. Ein Festplattengehäuse (links) und ein Leitfähigkeitsmessgerät, 3D-gedruckt mit Zortrax-Z ESD V2 Filament auf PET-Basis. Quelle: Zortrax.

Für fast alle Polymere, die im 3D-Druck verwendet werden, gibt es eine ESD-sichere Option. Es gibt antistatische Standardkunststoffe (ABS, PLA) und technische Kunststoffe (PA, PET, PCTG) sowie antistatische Kunststoffe für anspruchsvolle Anwendungen (PEKK, TPU). 

Bild 4: Sichere Elektronikgehäuse, gedruckt mit ESD PLA von 3DXTech (links) und ESD ABS von Nanovia (rechts). Quelle: Filament2Print.

Es gibt antistatische Filamente, die für bestimmte Bereiche entwickelt wurden, wie z. B. das Essentium TPU 58D-AS aus der Familie der flexiblen hochentwickelten Filamente.

Bild 5. Mit TPU 58D-AS 3D-gedruckte Anhänger. Quelle: Essentium.

Neben Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie kann dieses Filament für den 3D-Druck von abriebfesten Schalttafelabdeckungen, ESD-sicheren Lagerboxen oder ESD-sicheren Staubschutzkappen verwendet werden. Staub und andere Partikel neigen dazu, statische Elektrizität zu akkumulieren und Systemausfälle in vielen Elektronikfabriken zu provozieren.

Harze und Pulver

Für den 3D-Druck von ESD-sicheren Objekten gibt es auch nicht-filamentäre Optionen, wie Harze für den SLA-3D-Druck und Pulver für den SLS-3D-Druck. Sie alle haben je nach Kunststoff und Verwendungszweck - von der Automobilindustrie über wissenschaftlich-technische Instrumente bis hin zur Unterhaltungselektronik - hervorragende Eigenschaften. 

Bild 6. 3D-gedruckte Schachteln mit PA11 ESD von Sinterit. Quelle: Sinterit.

ESD-sichere Harze und Pulver eignen sich gut für den 3D-Druck von antistatischen Werkzeugen, Vorrichtungen und Halterungen für die Herstellung, Montage und Prüfung von elektronischen Bauteilen sowie für die Herstellung von Bauteilen zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. Einige ESD-sichere Materialien haben sogar staubabweisende Eigenschaften. Wie bereits erwähnt, neigen Staub und andere Partikel dazu, statische Elektrizität zu akkumulieren und das Risiko von ESD-Ereignissen zu erhöhen. Da die meisten Kunststoffe Staub und Schmutz anziehen, ist die Verwendung einer ESD-sicheren Option in ESD-empfindlichen Umgebungen viel sicherer. 

Bild 7. Mit dem staubabweisenden ESD-Harz von Formlabs bedruckte Werkzeuge und Vorrichtungen. Quelle: Formlabs.

Ein solches Material ist das ESD-Harz von Formlabs, das für den 3D-Druck von Werkzeugen und Vorrichtungen selbst für die anspruchsvollsten Fertigungsbedingungen verwendet werden kann.

ESD-Zubehör

Die ESD-Sicherheit in der Welt des 3D-Drucks ist nicht nur auf den Druck von Filamenten, Harzen und Pulvern beschränkt. Es gibt auch verschiedene Reinigungsmittel und Zubehör, die die ESD-Sicherheit während des Druckprozesses oder der Wartung des 3D-Druckers gewährleisten. Die Lawang ESD-Präzisionspinzette ist nützlich, wenn es darum geht, Teile von der Bauplatte zu entfernen, Material aus der Düse zu reinigen, Halterungen zu entfernen oder den Drucker zu warten. Um das Risiko eines ESD-Ereignisses, das die Elektronik des 3D-Druckers beschädigen könnte, zu minimieren, wird empfohlen, die ESD-sichere Präzisionspinzette zu verwenden.

Bild 8. Lawang ESD-sichere Präzisionspinzette. Quelle: Filament2Print.

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme zum Zeitpunkt des 3D-Drucks ist die Sicherstellung, dass die Druckoberfläche frei von Staub, Partikeln und statischer Elektrizität ist. Eine Möglichkeit, dies zu gewährleisten, ist die Verwendung eines Reinigungsmittels, z. B. des Novus 1 Acrylreinigers für Kunststofftanks. Er reinigt Kunststoffe, ohne sie zu zerkratzen, verhindert das Beschlagen, weist Staub ab und beseitigt statische Aufladung. Dies ist für erfolgreiche SLA-Drucke von entscheidender Bedeutung, da Schmutz im Harzbehälter den Laser ablenken und zu fehlerhaften Drucken führen kann.

Bild 9. Novus 1 Acrylreiniger für Harzbehälter, beseitigt Staub, Schmutz und statische Aufladung. Quelle: Formlabs.

Die 3D-Druckindustrie ist in der Lage, den Anforderungen selbst der anspruchsvollsten Branchen gerecht zu werden, die Werkzeuge, Materialien und Technologien benötigen, die nicht nur überlegene Leistung, sondern auch vielseitige Einsatzmöglichkeiten und Sicherheit gewährleisten. Materialien mit ESD-sicheren Eigenschaften finden sich beim FDM-Druck (antistatische Filamente und Pellets), beim SLA-Druck (ESd-Harze) und beim SLS (Anti-ESD-Pulver). Auch die Sicherheit der Druckoberflächen ist dank ESD-sicherer 3D-Drucker-Wartungswerkzeuge und Reinigungszubehör gewährleistet.