Fabricar produtos ESD com impressão 3D

A descarga electrostática é um fenómeno comum na natureza. Pode ser provocada por um curto-circuito eléctrico (curto-circuito), uma avaria dieléctrica, ou quando ocorre o contacto entre dois objectos com carga eléctrica (electricidade estática), resultando num súbito e curto fluxo de corrente eléctrica. A ESD é normalmente gerada de duas formas. Uma delas é a tribocompressão, que ocorre quando dois materiais são unidos e depois separados, resultando numa diferença de potencial eléctrico. A outra razão para a ocorrência de fenómenos de ESD é a indução electrostática. Ocorre quando um objecto carregado electricamente está próximo de um objecto condutor não em contacto com o solo. 

Vídeo 1. Riscos de descarga electrostática na aviação. Fonte: Aircraft Science. 

Todos já experimentaram um evento ESD em algum momento das suas vidas. Há inúmeros exemplos da vida quotidiana de ESD, incluindo relâmpagos, estática capilar causada por roupas de nylon/lã, um pente de plástico ou uma lâmina, esferovite colada à pele, a recolha de pó no ecrã da televisão segundos após ter sido limpa, a famosa "faísca" ou "pontapé" ao tocar numa maçaneta da porta ou noutra pessoa.

Riscos associados à ESD

Os fenómenos ESD são na sua maioria inofensivos, embora irritantes, para os seres humanos. A electricidade estática também pode ser um fenómeno muito útil. As tecnologias baseadas na electricidade estática são utilizadas em fotocopiadoras, precipitadores electrostáticos em purificadores de ar, pintura electrostática por pulverização, ou bolas de secagem/soprodução de chapas. Contudo, em certos contextos, a ESD pode ser muito perigosa e ter consequências desastrosas, especialmente nas indústrias transformadoras ou de alto risco.

Imagem 1. As graves consequências de um evento ESD numa placa mãe. Fonte: Techno FAQ. 

A ESD é muito ameaçadora para a electrónica sensível, especialmente circuitos integrados e microchips. Podem ser permanentemente danificados (danos catastróficos ou latentes) quando uma corrente de alta tensão passa por eles. Isto pode acontecer de três maneiras:

1. HBM (Human Body Model) - O corpo humano transfere uma carga electrostática para um dispositivo.

2. MM (Machine Model)  - um objecto condutor carregado, tal como uma ferramenta metálica ou uma fixação, transfere uma carga electrostática.

3. CDM (Charged Device Model) - ocorre quando uma carga electrostática é transferida através de embalagem ou de uma superfície de trabalho.

A descarga electrostática é também extremamente perigosa em ambientes com atmosferas potencialmente explosivas, tais como espaços contendo gás, vapor de combustível, pó de carvão ou mesmo pó de farinha.

Prevenção da EDS

A prevenção da ESD é da maior importância no fabrico de pavimentos, centros de expedição, ou em espaços com atmosferas inflamáveis e explosivas.

Imagem 2. Um espaço de trabalho seguro para ESD. Fonte:  Safety Working TECH.

Existem muitos materiais, substâncias e dispositivos antiestáticos elaborados e fabricados especialmente com o objectivo de proteger as pessoas e os dispositivos das consequências das descargas electrostáticas. As soluções de protecção ESD incluem:

• Agentes químicos.
• Ligações eléctricas à terra.
• Vestuário ESD, alças anti-estáticas para o pulso, gabaritos e acessórios ESD.
• Sacos anti-estáticos para o armazenamento e expedição de electrónica.
• Barras ionizantes nas linhas de produção.
• Mobiliário de escritório ESD.
• Salas limpas concebidas para evitar a entrada de pó, organismos transportados pelo ar ou partículas vaporizadas, e impedir a saída de vírus, substâncias nocivas ou radiação.
• Sistemas anti-estáticos de máquinas que utilizam electrões ou fotoemissão para reduzir a ESD.

Uma segurança ESD adequada pode não só proteger o mau funcionamento do dispositivo, mas também reduzir as perdas financeiras relacionadas com falhas e até salvar vidas.

Segurança ESD na impressão 3D

Os métodos de produção subtractivos, tais como a moldagem por injecção e a maquinagem CNC, existem há muito tempo e são óptimos para a produção em grande escala de ferramentas padronizadas. Mas quando se trata da produção de pequenas quantidades de ferramentas altamente personalizadas, gabaritos, ou acessórios, o fabrico de aditivos é a melhor opção. A concepção e fabricação de moldes leva muito tempo e não compensa a produção de pequenas quantidades de ferramentas e fixações personalizadas. Além disso, os plásticos avançados utilizados na maquinagem CNC são muito caros e frequentemente desperdiçados durante o processo de maquinação. A utilização da impressão em 3D para fazer ferramentas, gabaritos e acessórios especiais personalizados, internamente e a pedido, é um passo em frente para muitas empresas, uma vez que tem muitas vantagens. Se o material adequado for utilizado, uma versão impressa em 3D de uma ferramenta ou acessório tradicional pode ser mais forte, mais resistente à corrosão, mais leve, e muito mais barato e rápido de fazer internamente em vez de através de contratantes externos através de moldagem por injecção ou maquinação CNC. Tudo isto confere aos fabricantes uma maior flexibilidade e a possibilidade de personalizar os processos de trabalho com base nas necessidades da empresa. A impressão 3D leva menos tempo, é mais acessível e elimina o desperdício de material, uma vez que apenas o que é necessário será impresso.

Vídeo 2. Um caso de sucesso - Mercury Systems começa a imprimir ferramentas e acessórios seguros ESD em 3D. Fonte: Essentium.

A segurança ESD não é excepção, uma vez que a impressão 3D já tem uma solução bem testada e fiável para fazer ferramentas antiestáticas, jigs, e fixações. Os materiais seguros ESD na impressão em 3D podem apresentar-se de muitas formas. Existem filamentos antiestáticos, pellets, resinas e pós.

Filamentos

Os filamentos seguros ESD utilizam várias tecnologias para alcançar as propriedades antiestáticas, sendo as mais comuns as cargas de carbono negro ou de grafite. A quantidade de enchimento de carbono no polímero determina o nível de resistividade da superfície (medida em Ohms) - eletricamente condutora, dissipativa ou isolante. Outra forma de tornar um material antiestático é adicionar revestimentos antiestáticos ou, como é o caso do Essentium, uma camada superficial de nanopolímeros condutores para reduzir o risco de degradação do desempenho normalmente visto com cargas ou revestimentos de ESD.

Imagem 3. Uma caixa de disco rígido (esquerda) e um medidor de condutividade 3D impresso com o filamento à base de PET Zortrax-Z ESD V2. Fonte: Zortrax.

Quase todos os polímeros normalmente utilizados na impressão 3D têm uma opção segura de ESD. Existem plásticos antiestáticos padrão (ABS, PLA) e plásticos de engenharia (PA, PET, PCTG), bem como plásticos antiestáticos concebidos para aplicações avançadas (PEKK, TPU). 

Imagem 4: Caixas electrónicas seguras impressas com ESD PLA da 3DXTech (esquerda) e ESD ABS da Nanovia (direita). Fonte: Filament2Print.

Existem filamentos antiestáticos concebidos para sectores específicos, tais como o Essentium TPU 58D-AS da família de filamentos avançados flexíveis.

Imagem 5. Etiquetas 3D impressas com TPU 58D-AS. Fonte: Essentium.

Além de aplicações na indústria aeroespacial, este filamento pode ser utilizado para tampas de painéis resistentes à abrasão de impressão 3D, caixas de armazenamento seguras contra ESD ou tampas de poeira seguras contra ESD. O pó e outras partículas tendem a acumular electricidade estática e a provocar falhas no sistema em muitas fábricas de electrónica.

Resinas e pós

Existem também opções não-filamentos para a impressão 3D de objectos seguros ESD, tais como resinas para impressão 3D SLA, e pós para impressão 3D SLS. Todos eles têm excelentes propriedades, dependendo do plástico e das aplicações pretendidas - desde a indústria automóvel e instrumentação técnico-científica até à electrónica de consumo. 

Imagem 6. Caixas impressas em 3D com PA11 ESD da Sinterit. Fonte: Sinterit.

As resinas e pós seguros contra ESD são bons para ferramentas anti-estáticas de impressão 3D, gabaritos e acessórios para a produção, montagem e teste de componentes electrónicos, bem como para a produção de componentes para utilização em atmosferas explosivas. Alguns materiais seguros contra ESD têm mesmo propriedades repelentes de pó. Como mencionado anteriormente, o pó e outras partículas tendem a acumular electricidade estática e a aumentar o risco de eventos de ESD. Uma vez que a maioria dos plásticos atrai poeira e sujidade, a utilização de uma opção de ESD-safe é muito mais segura em ambientes sensíveis à ESD. 

Imagem 7. Ferramentas e utensílios impressos com a resina ESD repelente de pó Formlabs. Fonte: Formlabs.

Um desses materiais é a resina Formlabs ESD, que pode ser utilizada para ferramentas e acessórios de impressão 3D, mesmo para as condições de fabrico mais exigentes.

Acessórios ESD

A segurança ESD no mundo da impressão 3D não se limita apenas aos filamentos, resinas e pós de impressão. Existem também vários agentes de limpeza e acessórios que garantem a segurança ESD durante o processo de impressão ou a manutenção da impressora 3D. As pinças de precisão Lawang ESD são úteis quando se trata de remover peças da chapa de construção, limpar material do bocal, remover suportes ou manutenção da impressora. Para minimizar o risco de um incidente ESD que possa danificar a electrónica da impressora 3D, recomenda-se a utilização da pinça de precisão segura ESD.

Imagem 8. Pinças de precisão de segurança ESD Lawang. Fonte: Filament2Print.

Outra precaução a tomar no momento da impressão 3D é garantir que a superfície de impressão esteja livre de poeira, partículas e electricidade estática. Uma forma de garantir isso é utilizar um produto de limpeza de algum tipo, por exemplo o produto de limpeza acrílico Novus 1 para tanques de resina. Limpa os plásticos sem os riscar e evita o embaciamento, repele o pó e elimina a carga estática. É crucial para impressões de SLA bem sucedidas porque a sujidade no tanque de resina pode deflectir o laser e resultar em impressões falhadas.

Imagem 9. Limpa acrílico Novus 1 para tanques de resina, elimina pó, sujidade e carga estática. Fonte: Formlabs.

A indústria gráfica 3D está à altura da tarefa de satisfazer as necessidades mesmo das indústrias mais exigentes que requerem ferramentas, materiais e tecnologias que possam assegurar não só um desempenho superior mas também versatilidade de utilizações e segurança. Materiais com propriedades de segurança ESD podem ser encontrados na impressão FDM (filamentos antiestáticos e pellets), impressão SLA (resinas ESd), e SLS (pós anti-ESD). A segurança das superfícies de impressão é também coberta graças às ferramentas de manutenção de impressoras 3D seguras para ESD e aos acessórios de limpeza.