Produrre prodotti ESD con stampa 3D

La scarica elettrostatica è un fenomeno comune nella natura. Può essere provocata da un cortocircuito, da una rottura dielettrica o quando avviene un contatto tra due oggetti caricati elettricamente (elettricità statica), dando luogo a un flusso repentino e breve di corrente elettrica. L'ESD di solito si verifica in due modi. Uno di essi è il tribocaricamento, che avviene quando due materiali si uniscono e poi si separano, creando una differenza di potenziale elettrico. L'altro motivo per cui si verificano episodi di ESD è l'induzione elettrostatica. Questo avviene quando un oggetto caricato elettricamente è vicino a un oggetto conduttore che non è a contatto con la terra.

Video 1. Rischi delle scariche elettrostatiche nell'aviazione. Fonte: Aircraft Science.

Tutti hanno sperimentato un'ESD in qualche momento della loro vita. Ci sono numerosi esempi di ESD nella vita quotidiana, come i fulmini, la statica dei capelli causata dall'abbigliamento in nylon/lana, un pettine di plastica o uno scivolo, la schiuma di polistirene che si attacca alla pelle, la polvere che si accumula sullo schermo della TV poco dopo averlo pulito, la famosa "scintilla" o "scossa" quando si tocca una maniglia della porta o un'altra persona.

Rischi associati all'ESD

I fenomeni di ESD sono per lo più innocui, sebbene fastidiosi, per gli esseri umani. Ma la statica elettrica può anche essere un fenomeno molto utile. Le tecnologie basate sulla statica elettrica vengono utilizzate nelle fotocopiatrici, negli elettrofiltri dei purificatori d'aria, nella verniciatura elettrostatica a spruzzo o nei lenzuoli e nelle palle per l'asciugatura. Tuttavia, in determinati contesti, l'ESD può essere molto pericolosa e avere conseguenze disastrose, soprattutto nelle industrie manifatturiere o ad alto rischio.

Immagine 1. Gravi conseguenze di un evento ESD su una scheda madre. Fonte: Techno FAQ.

L'ESD è molto pericolosa per i componenti elettronici sensibili, in particolare i circuiti integrati e i microchip. Possono subire danni permanenti (danni catastrofici o latenti) quando una corrente ad alto voltaggio li attraversa. Questo può accadere in tre modi:

1. HBM (Human Body Model) - Il corpo umano trasferisce una carica elettrostatica a un dispositivo.

2. MM (Machine Model) - un oggetto conduttore caricato, come uno strumento o un accessorio metallico, trasferisce una carica elettrostatica.

3. CDM (Charged Device Model) - si verifica quando una carica elettrostatica viene trasferita attraverso un imballaggio o una superficie di lavoro.

La scarica elettrostatica è anche estremamente pericolosa in ambienti con atmosfere potenzialmente esplosive, come spazi contenenti gas, vapore di combustibile, polvere di carbone o persino farina.

Prevenzione dell'ESD

La prevenzione dell'ESD è di fondamentale importanza nelle strutture di produzione, nei centri di spedizione o in ambienti con atmosfere infiammabili ed esplosive.

Immagine 2. Uno spazio di lavoro sicuro ESD. Fonte: Safety Working TECH.

Esistono molti materiali, sostanze e dispositivi antistatici sviluppati e prodotti appositamente per proteggere le persone e i dispositivi dagli effetti delle scariche elettrostatiche. Tra le soluzioni di protezione dalle scariche elettrostatiche ci sono:

• Agenti chimici.

• Connessione elettrica a terra.
• Abiti ESD, polsini antistatici, solette e accessori ESD.
• Borse antistatiche per lo stoccaggio e la spedizione di prodotti elettronici.
• Barre ionizzanti nelle linee di produzione.
• Arredi per ufficio ESD.
• Ambienti controllati progettati per impedire l'ingresso di polvere, microrganismi trasportati dall'aria o particelle vaporizzate e per evitare che virus, sostanze nocive o radiazioni fuoriescano.
• Sistemi antistatici di macchine che utilizzano l'emissione di elettroni o la fotoemissione per ridurre l'ESD.

Una corretta sicurezza ESD può non solo proteggere il malfunzionamento dei dispositivi, ma anche ridurre le perdite economiche legate ai guasti e persino salvare vite umane.

Sicurezza ESD nella stampa 3D

Metodi di produzione sottrattivi come la stampa ad iniezione e la lavorazione CNC esistono da molto tempo e sono eccellenti per la produzione su larga scala di strumenti standardizzati. Ma quando si tratta di produrre piccole quantità di strumenti, modelli o accessori molto personalizzati, la fabbricazione additiva è la scelta migliore.

Video 2. Un caso di successo: Mercury Systems inizia a stampare in 3D strumenti e accessori sicuri per l'ESD. Fonte: Essentium.

La sicurezza ESD non fa eccezione, poiché la stampa 3D ha già una soluzione ben collaudata e affidabile per la fabbricazione di strumenti, modelli e accessori antistatici. I materiali sicuri per l'ESD nella stampa 3D possono assumere molte forme. Ci sono filamenti, granuli, resine e polveri antistatici.

Filamenti

I filamenti sicuri per l'ESD utilizzano varie tecnologie per ottenere proprietà antistatiche, tra le più comuni vi sono i ripieni di carbonio nero o grafite.. La quantità di riempimento di carbonio nel polimero determina il livello di resistività superficiale (misurato in ohm): conduttore, dissipatore o isolante dall'elettricità. Un altro modo per rendere un materiale antistatico è aggiungere rivestimenti antistatici o, come nel caso di Essentium, uno strato superficiale di nanopolimeri conduttivi per ridurre il rischio di degradazione delle prestazioni che di solito si verifica con riempitivi o rivestimenti ESD.

Immagine 3. Custodia del disco rigido (a sinistra) e misuratore di conducibilità stampato in 3D con il filamento Zortrax-Z ESD V2 basato su PET. Fonte: Zortrax.

Quasi tutti i polimeri comunemente utilizzati nella stampa 3D hanno un'opzione di sicurezza ESD. Ci sono plastica standard antistatica (ABS, PLA) e plastica ingegneristica (PA, PET, PCTG), così come plastica antistatica progettata per applicazioni avanzate (PEKK, TPU).

Immagine 4. Custodie sicure per elettronica, stampate con ESD PLA di 3DXTech (a sinistra) e ESD ABS di Nanovia (a destra). Fonte: Filament2Print.

Esistono filamenti antistatici progettati per settori specifici, come il TPU Essentium 58D-AS dalla famiglia di filamenti flessibili avanzati.

Immagine 5. Etichette stampate in 3D con TPU 58D-AS. Fonte: Essentium.

Oltre alle applicazioni nell'industria aerospaziale, questo filamento può essere utilizzato per stampare in 3D coperture di pannelli resistenti all'abrasione, custodie di stoccaggio sicure per l'ESD o tappi antipolvere sicuri per l'ESD. La polvere e altre particelle tendono ad accumulare elettricità statica e causare guasti nei sistemi di molte fabbriche elettroniche.

Resine e polveri

Esistono anche opzioni che non sono filamenti per stampare oggetti con sicurezza ESD, come le resine per la stampa 3D SLA e le polveri per la stampa 3D SLS. Tutti questi hanno ottime proprietà, a seconda della plastica e delle applicazioni previste, che vanno dall'industria automobilistica e strumentazione scientifica alla produzione di elettronica di consumo.

Immagine 6. Custodie stampate in 3D con PA11 ESD da Sinterit. Fonte: Sinterit.

Le resine e le polveri sicure per ESD sono ottime per stampare strumenti antistatici, modelli e accessori per la produzione, il montaggio e la verifica dei componenti elettronici, così come per la produzione di componenti per l'uso in atmosfere esplosive. Alcuni materiali antistatici hanno anche proprietà repellenti per la polvere. Come accennato in precedenza, la polvere e altre particelle tendono ad accumulare elettricità statica e aumentare il rischio di eventi ESD.

Immagine 7. Strumenti e accessori stampati con la resina ESD repellente alla polvere di Formlabs. Fonte: Formlabs.

Uno di questi materiali è la resina ESD di Formlabs, che può essere utilizzata per stampare strumenti e accessori per le condizioni di produzione più esigenti.

Inoltre, la produzione di resine e polveri sicure per l'ESD sta crescendo costantemente. L'innovazione tecnologica ha portato alla creazione di materiali sempre più avanzati che soddisfano le esigenze di una vasta gamma di industrie.

Se stai considerando la possibilità di utilizzare la stampa 3D per creare strumenti, modelli o accessori sicuri per l'ESD, ci sono molte opzioni disponibili. Assicurati di scegliere il materiale che meglio si adatta alle tue esigenze specifiche e di seguire tutte le pratiche di sicurezza ESD appropriate durante il processo di stampa e manipolazione degli oggetti stampati. La sicurezza dei dispositivi elettronici e delle persone è fondamentale, e la stampa 3D offre una soluzione versatile ed efficace per creare oggetti antistatici.

Video 3. Un caso di successo: Mercury Systems inizia a stampare in 3D strumenti e accessori sicuri per l'ESD. Fonte: Essentium.

Nota: Questo articolo fornisce informazioni generali sulla sicurezza ESD e sulle soluzioni disponibili utilizzando la stampa 3D. È importante condurre ricerche aggiuntive e consulenze con esperti in materia di ESD e stampa 3D prima di prendere decisioni specifiche.