Fabrication de produits ESD en impression 3D

La décharge électrostatique est un phénomène courant dans la nature. Elle peut être provoquée par un court-circuit électrique (court-circuit), une rupture diélectrique ou lorsqu'un contact se produit entre deux objets chargés électriquement (électricité statique), entraînant un flux soudain et court de courant électrique. L'ESD est généralement générée de deux manières. L'une d'elles est la tribocharge, qui se produit lorsque deux matériaux sont joints puis séparés, ce qui entraîne une différence de potentiel électrique. L'autre raison pour laquelle des phénomènes ESD se produisent est l'induction électrostatique. Elle se produit lorsqu'un objet chargé électriquement se trouve à proximité d'un objet conducteur qui n'est pas en contact avec la terre. 

Vidéo 1. Les risques de décharges électrostatiques dans l'aviation. Source : Aircraft Science. 

Tout le monde a été confronté à un incident ESD à un moment ou à un autre de sa vie. Il existe de nombreux exemples d'ESD dans la vie de tous les jours, notamment la foudre, l'électricité statique causée par des vêtements en nylon ou en laine, un peigne en plastique ou un toboggan, le polystyrène qui colle à la peau, la poussière qui s'accumule sur l'écran de télévision quelques secondes après son nettoyage, la fameuse "étincelle" ou le "coup de pied" lorsqu'on touche une poignée de porte ou une autre personne.

Risques associés à l'ESD

Les événements ESD sont généralement inoffensifs, bien que gênants, pour les humains. L'électricité statique peut également être un phénomène très utile. Les technologies basées sur l'électricité statique sont utilisées dans les photocopieurs, les précipitateurs électrostatiques dans les purificateurs d'air, la peinture par pulvérisation électrostatique ou les feuilles et boules de séchage. Toutefois, dans certains contextes, l'électricité statique peut être très dangereuse et avoir des conséquences désastreuses, notamment dans les industries manufacturières ou à haut risque.

Image 1. Les graves conséquences d'un épisode d'ESD sur une motherboard. Source : Techno FAQ. 

Les décharges électrostatiques (ESD) sont très menaçantes pour les appareils électroniques sensibles, notamment les circuits intégrés et les micropuces. Ils peuvent être endommagés de façon permanente (dommages catastrophiques ou latents) lorsqu'ils sont traversés par un courant à haute tension. Cela peut se produire de trois façons :

1. HBM (Human Body Model) - Le corps humain transfère une charge électrostatique à un appareil.

2. MM (Machine Model)  - un objet conducteur chargé, tel qu'un outil ou un dispositif de fixation métallique, transfère une charge électrostatique.

3. CDM (Charged Device Model) - se produit lorsqu'une charge électrostatique est transférée à travers un emballage ou une surface de travail.

Les décharges électrostatiques sont également extrêmement dangereuses dans les environnements présentant des atmosphères potentiellement explosives, comme les espaces contenant du gaz, des vapeurs de carburant, de la poussière de charbon ou même de la poussière de farine.

Prévention des ESD

La prévention des décharges électrostatiques est de la plus haute importance dans les ateliers de fabrication, les centres d'expédition ou dans les espaces présentant des atmosphères inflammables et explosives. 

Image 2. Un espace de travail sécurisé contre les décharges électrostatiques. Source : Safety Working TECH.

Il existe de nombreux matériaux, substances et dispositifs antistatiques élaborés et fabriqués spécialement dans le but de protéger les personnes et les appareils des conséquences des décharges électrostatiques. Les solutions de protection contre les décharges électrostatiques comprennent :

• Agents chimiques.

• Mise à la terre électrique.
• Vêtements ESD, bracelets antistatiques, gabarits et montages ESD.
• Sacs antistatiques pour le stockage et l'expédition de produits électroniques.
• Barres ionisantes sur les lignes de production.
• Mobilier de bureau ESD.
• Salles blanches conçues pour empêcher la poussière, les organismes en suspension dans l'air ou les particules vaporisées de pénétrer à l'intérieur, et pour empêcher les virus, les substances nocives ou les radiations de sortir.
• Systèmes antistatiques des machines utilisant l'électron ou la photoémission pour réduire les ESD.

Une sécurité ESD appropriée peut non seulement protéger les dispositifs contre les dysfonctionnements, mais aussi réduire les pertes financières liées aux défaillances et même sauver des vies.

La sécurité ESD dans l'impression 3D

Les méthodes de production soustractives, telles que le moulage par injection et l'usinage CNC, existent depuis longtemps et sont parfaites pour la production à grande échelle d'outils standardisés. Mais lorsqu'il s'agit de produire en petites quantités des outils, gabarits ou montages hautement personnalisés, la fabrication additive est la meilleure option. La conception et la fabrication de moules prennent beaucoup de temps et cela n'est pas rentable pour produire de petites quantités d'outils et de montages personnalisés. En outre, les plastiques avancés utilisés dans l'usinage CNC sont très coûteux et se perdent souvent au cours du processus d'usinage. L'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer des outils, des gabarits et des montages spécialisés personnalisés en interne et à la demande est une avancée pour de nombreuses entreprises, car elle présente de nombreux avantages. Si le matériau approprié est utilisé, une version imprimée en 3D d'un outil ou d'un dispositif traditionnel peut être plus solide, plus résistante à la corrosion, plus légère, et beaucoup moins chère et plus rapide à fabriquer en interne plutôt que de faire appel à des sous-traitants pour le moulage par injection ou l'usinage CNC. Tout cela confère aux fabricants une plus grande flexibilité et la possibilité de personnaliser les processus de travail en fonction des besoins de l'entreprise. L'impression 3D prend moins de temps, elle est plus abordable et elle élimine le gaspillage de matériaux puisque seul ce qui est nécessaire va être imprimé.

Vidéo 2. Un cas de réussite - Mercury Systems se lance dans l'impression 3D d'outils et de montages sécurisés contre les décharges électrostatiques. Source : Essentium.

La sécurité ESD ne fait pas exception à la règle, puisque l'impression 3D, discipline qui s'adapte rapidement, dispose déjà d'une solution fiable et éprouvée pour la fabrication d'outils, de gabarits et de montages antistatiques. Les matériaux de sécurité ESD dans l'impression 3D peuvent se présenter sous de nombreuses formes. Il existe des filaments, des pellets, des résines et des poudres antistatiques.

Filaments

Les filaments sécurisés ESD utilisent diverses technologies pour obtenir des propriétés antistatiques, les plus courantes étant les charges de noir de carbone ou de graphite. La quantité de charge de carbone dans le polymère détermine le niveau de résistivité de la surface (mesurée en Ohms) - électriquement conductrice, dissipatrice ou isolante. Une autre façon de rendre un matériau antistatique consiste à ajouter des revêtements antistatiques ou, comme dans le cas d'Essentium, une couche superficielle de nanopolymères conducteurs afin de réduire le risque de dégradation des performances généralement observé avec les charges ou les revêtements ESD.

Image 3. Un boîtier de disque dur (à gauche) et un conductimètre imprimés en 3D avec le filament Zortrax-Z ESD V2 à base de PET. Source : Zortrax.

Presque tous les polymères couramment utilisés dans l'impression 3D ont une option de sécurité ESD. Il existe des plastiques antistatiques standard (ABS, PLA) et des plastiques techniques (PA, PET, PCTG), ainsi que des plastiques antistatiques conçus pour des applications avancées (PEKK, TPU). 

Image 4: Boîtiers électroniques sécurisés imprimés avec le PLA ESD de 3DXTech (à gauche) et l'ABS ESD de Nanovia (à droite). Source : Filament2Print.

Il existe des filaments antistatiques conçus pour des secteurs spécifiques, comme l'Essentium TPU 58D-AS de la famille des filaments flexibles avancés.

Image 5. Etiquettes imprimées en 3D avec TPU 58D-AS. Source : Essentium.

Outre les applications dans l'industrie aérospatiale, ce filament peut être utilisé pour imprimer en 3D des couvercles de panneaux résistants à l'abrasion, des boîtes de rangement ou des capuchons anti-poussière protégés contre les décharges électrostatiques. La poussière et d'autres particules ont tendance à accumuler l'électricité statique et à provoquer des pannes de système dans de nombreuses usines d'électronique.

Résines et poudres

Il existe également des options hors filaments pour l'impression 3D d'objets sécurisés ESD, comme les résines pour l'impression 3D SLA et les poudres pour l'impression 3D SLS. Elles présentent toutes d'excellentes propriétés, selon le plastique et les applications prévues - allant de l'industrie automobile et de l'instrumentation scientifique et technique à l'électronique grand public. 

Image 6. Boîtes imprimées en 3D avec le PA11 ESD de Sinterit. Source : Sinterit.

Les résines et poudres ESD-safe conviennent à l'impression 3D d'outils, de gabarits et de montages antistatiques pour la production, l'assemblage et le test de composants électroniques, ainsi que pour la production de composants destinés à être utilisés dans des atmosphères explosives. Certains matériaux antistatiques ont même des propriétés anti-poussière. Comme nous l'avons déjà mentionné, la poussière et les autres particules ont tendance à accumuler l'électricité statique et à augmenter le risque d'événements ESD. Étant donné que la plupart des plastiques attirent la poussière et la saleté, l'utilisation d'une option ESD-safe est beaucoup plus sûre dans les environnements sensibles aux ESD. 

Image 7. Outils et montages imprimés avec la résine ESD anti-poussière de Formlabs. Source : Formlabs.

L'un de ces matériaux est la résine ESD de Formlabs, qui peut être utilisée pour imprimer en 3D des outils et des dispositifs de fixation, même dans les conditions de fabrication les plus exigeantes.

Accessoires ESD

La sécurité ESD dans le monde de l'impression 3D ne se limite pas à l'impression de filaments, de résines et de poudres. Il existe également divers produits et accessoires de nettoyage qui garantissent la sécurité ESD pendant le processus d'impression ou l'entretien de l'imprimante 3D. Les pinces de précision ESD Lawang sont utiles lorsqu'il s'agit de retirer des pièces de la plaque de construction, de nettoyer le matériau de la buse, de retirer les supports ou d'effectuer la maintenance de l'imprimante. Pour minimiser le risque d'un événement ESD qui pourrait endommager l'électronique de l'imprimante 3D, il est recommandé d'utiliser les pinces de précision ESD.

Image 8. Pincettes de précision Lawang à sécurité ESD. Source : Filament2Print.

Une autre précaution à prendre au moment de l'impression 3D est de s'assurer que la surface d'impression est exempte de poussière, de particules et d'électricité statique. Une façon de s'en assurer est d'utiliser un nettoyant quelconque, par exemple le nettoyant acrylique Novus 1 pour réservoirs de résine. Il nettoie les plastiques sans les rayer et empêche la formation de buée, repousse la poussière et élimine la charge statique. C'est essentiel pour réussir les impressions SLA, car la saleté dans le réservoir de résine peut dévier le laser et entraîner l'échec des impressions.

Image 9. Novus 1, nettoyant acrylique pour réservoirs en résine, élimine la poussière, la saleté et la charge statique. Source : Formlabs.

L'industrie de l'impression 3D est en mesure de satisfaire les besoins des industries les plus exigeantes qui requièrent des outils, des matériaux et des technologies capables d'assurer non seulement des performances supérieures, mais aussi la polyvalence des utilisations et la sécurité. Les matériaux dotés de propriétés antistatiques se retrouvent dans l'impression FDM (filaments et granulés antistatiques), l'impression SLA (résines ESd) et l'impression SLS (poudres antistatiques). La sécurité des surfaces d'impression est également assurée grâce aux outils d'entretien et aux accessoires de nettoyage des imprimantes 3D à sécurité ESD.