Az elektrosztatikus kisülés (ESD) rendkívül gyakori (gondolj a statikus elektromosságra), de rosszul érthető jelenség, amely évente világszerte milliárdokkal károsítja meg az elektronikai komponenseket. A legtöbb elektronika, mint például a telefonok, számítógépek és televíziók, ESD-biztonságos műanyag házakkal és eszközökkel van gyártva. Ahogy a 3D nyomtatás egyre népszerűbbé válik elektronikai alkatrészek készítéséhez, megnőtt az igény az ESD-biztonságos anyagok iránt.
Szerencsére a piacra került néhány új ESD-biztonságos 3D nyomtatási anyag – fólia, gyanta és polimer por. Ezekkel az anyagokkal nyomtathatsz áramkörházakat, eszközöket és rögzítőket, amelyeket elektronikai teszteléshez használnak, valamint más alkatrészeket és termékeket, amelyek megvédik az elektronikádat az elektromos töltésektől.
Ebben a cikkben megvizsgáljuk, mi az ESD-biztonságos anyagok, hogyan működnek, és mikor érdemes őket használni a 3D nyomtatás során.
Mi az elektrosztatikus kisülés?
Az, hogy mikor szükséges az ESD-biztonságos anyagok használata, nem mindig könnyen érthető. Az elektrosztatikus kisülés pontos jelenségeinek megértése segít dönteni.
Ha valaha megtapasztaltad, hogy érintve egy fém tárgyat elektromos kisülést érzel, például egy szőnyegpadlón lépdelve, akkor már találkoztál az elektrosztatikus kisülés jelenségével. Az érezhető sokk, néha egy kis szikra formájában, ártalmatlan számodra, de káros az elektronikának.
Amikor bizonyos anyagok dörzsölődnek egymással, az egyik tárgyon felesleges elektronok halmozódhatnak fel, a másikon pedig kevesebb lesz, ahogy mozognak a felületek között. Ezt hívják triboelektromos hatásnak, és pontos módja még mindig vita tárgyát képezi a fizikusok körében. Amikor az egyik tárgy pozitívan töltődik fel, a másik pedig negatívan (ez a töltés akár hosszú ideig is megmaradhat), a töltés áramlik, amint bármelyik tárgy érintkezik egy jó vezetővel, és csak addig tart, amíg mindkét tárgy újra semleges töltésű nem lesz.
Az elektromos töltések előrejelzése azoknál az anyagoknál, amelyek ilyen típusú statikus elektromosságot generálnak, nem mindig egyszerű, azonban egy olyan módszer, amelyet Triboelektromos Sorrendnek neveznek, segíthet a helyzet megértésében. Ez a sorrend egyszerűen egy lista az anyagokról, amelyeket rangsorolnak a legvalószínűbb pozitív töltést generálóktól a legvalószínűbb negatív töltést generálókig. Minél távolabb vannak egymástól két anyag a sorrendben, annál valószínűbb, hogy statikus elektromosságot generálnak, ha hozzáérnek vagy egymáshoz dörzsölődnek.
Az elektromos termékek tervezésekor az egyik kihívás az, hogy az emberi bőr a triboelektromos sorrend egyik végén helyezkedik el, míg a legtöbb szintetikus anyag, például a nejlon, a másik végén. Ez azt jelenti, hogy már a mindennapi mozgás során az emberek több ezer voltnak megfelelő statikus töltést képesek generálni. Ha ezek a töltések az érzékeny elektronikai alkatrészekbe jutnak, az áram kiégethet komponenseket vagy károsíthatja a belső felületeket, ami inaktívvá teheti azokat. Ennek elkerülése érdekében azok az eszközök és alkatrész-házak, amelyeket az elektronikai összeszerelés során használunk, képeseknek kell lenniük ezeknek a töltéseknek a levezetésére, mielőtt azok eljutnak a kritikus komponensekhez.
Az elektromos ellenállás azt méri, hogy az anyag milyen ellenállást fejt ki az elektromos áram áramlására, amikor elektromos mezőt alkalmaznak rá. Az anyagokat magas ellenállású szigetelők és alacsony ellenállású vezetők szerint csoportosítják, ami befolyásolja az áram áramlását rajtuk keresztül. Az alkatrészek felületi ellenállását ohmban (Ω) mérik. Azok az anyagok, amelyeknek felületi ellenállása 10^6 és 10^9 ohm között van, képesek az elektromos töltések elvezetésére, és általában biztonságosak az elektronikai gyártási folyamatok során.
Melyek az ESD-biztonságos anyagok?
Lehet, hogy azt gondolod: Nos, a műanyag nem vezet jól áramot, igaz? Igaz, a legtöbb műanyag nagyon nagy ellenállással rendelkezik az áramvezetéshez, de itt nem az a probléma, hogy vezetik az áramot, hanem az, hogy jó szigetelők, tehát a töltés tárolódik, és nem disszipálódik.
Ahhoz, hogy egy polimer ESD-biztonságosnak minősüljön, általában hozzáadnak egy adalékanyagot, amely legtöbbször szén, és ez segít a statikus töltések lassú elvezetésében. Ezt a szénadalékot hozzá lehet adni az ABS-hez, a PLA-hoz, a PET-G-hez, a PC-hez, a PEEK-hez, a gyantákhoz és még számos más 3D nyomtatási anyaghoz.
Azonban felmerülhet a kérdés, hogy vajon minden szénrosttal töltött anyag alapvetően ESD-biztonságos-e? Sajnos nem minden esetben. Minden polimernek saját, meghatározott mennyiségű szénadalékra van szüksége ahhoz, hogy valóban ESD-biztonságos legyen. Néhány szénrosttal töltött anyag megfelelhet ennek a követelménynek, de ha az anyagon nem szerepel ESD-biztonságos jelzés, akkor valószínűleg nem is felel meg ennek a szabványnak.
Amikor a szén szerepet kap, különféle változatokat alkalmaznak a polimerekben a vezető szénfekete, a szénrostok, a grafén vagy a szén nanocsövek formájában. Ezek a hozzáadott anyagok a polimert kevésbé ellenállóvá teszik az elektromos árammal szemben, és lehetővé teszik az elektromos töltés elvezetését. A választékban a szén nanocsövek a költségesebbek, ugyanakkor a jobb alternatívát jelentik, mivel kisebb mennyiségre van szükség mint adalék, így az eredeti anyagtulajdonságok jobban megmaradnak. Azok az anyagok, amelyekben szénfeketét alkalmaznak, magasabb mennyiséget igényelnek (akár 25%), ami befolyásolhatja az alapanyag nyomtatási tulajdonságait. Emellett a szénfekete kopásveszélyes lehet, és felületeket károsíthat.
„Ahhoz, hogy például ugyanolyan vezetőképességet érjünk el, amit csak 2-3% szén nanocső hozzáadásával is elérhetnénk, akár 15% vezető szénfekete is szükség lehet” – emeli ki Matt Howlett, anyagtudós és a 3D nyomtatókat és filamenteket gyártó 3DXTech elnöke. „Amennyiben például 15% szénfeketét vagy szénrostot adunk hozzá a PA12-höz, ugyanazt a vezetőképességet elérhetjük, de a polimer meglehetősen merevvé és törékennyé válik, ami nem feltétlenül ideális a konkrét alkalmazás szempontjából.”
Az anyaggyártóknak kötelességük az anyagaik felületi ellenállási tartományát ohmban kifejezve felsorolni, és az ISO vagy más minősítések is rendelkezésre állhatnak azokban az iparágakban, ahol az ESD-biztonságos anyagok használata vagy a tiszta elektronikai gyártási környezetben történő felhasználás kiemelkedően fontos.
Mikor használjunk ESD-biztos anyagokat?
Számos olyan helyzet adódik, amikor az ESD-biztonságos anyagok alkalmazása fontos, és ezek közül nem mindegyik kapcsolódik az elektronikához.
Először is, amikor érzékeny elektronikai komponenseket szerelnek össze, az ESD-biztonságos anyagok gondos mérlegelése elengedhetetlen. Ilyen esetekben érdemes figyelembe venni az olyan sablonokat, berendezéseket vagy eszközöket, amelyek közvetlenül érintkeznek ezekkel a komponensekkel. Gyakran alkalmaznak fémanyagokat, bár ezek általában magas költségekkel járnak, és sokféle fém keménysége ronthatja az érzékeny komponensek állapotát. Ha egy komponens elektrosztatikusan védett tasakban érkezik, akkor az összeszerelés során mindenképpen ESD-biztonságos anyagokat és eljárásokat kell alkalmazni. Miután az összeszerelés megtörtént, a legtöbb eszköz kevésbé hajlamos az ESD káros hatásaira, de egyes esetekben még mindig érdemes lehet az egész burkolatot ESD-biztonságos anyagokból kialakítani.
Azokban a gyártási környezetekben, ahol tűz- vagy robbanásveszély fenyeget, egyetlen szikra is katasztrofális következményekkel járhat. Ilyen területeken az ESD-biztonságos alkatrészek és komponensek létfontosságúak lehetnek, hogy megakadályozzák a gázok, részecskék vagy üzemanyagok véletlen gyulladását.
Az ESD-biztonságos alkatrészek és komponensek továbbá rendkívül hasznosak a port kezelő folyamatok során. Ennek egyrészt a finom porok gyúlékonysága, másrészt a töltött felületekre való tapadás tendenciája az oka. Megfelelően tervezett alkatrészekkel és ESD-biztonságos anyagokkal a porok zökkenőmentesen áramlanak a feldolgozás során.
Az ESD-biztonságos anyagok alkalmazásának néhány gyakori példája:
- Szerelősegédeszközök az elektronikához
- Nyomtatott áramkörök
- Házak Raspberry Pi-hez, Arduino-hoz, egylapkás számítógépekhez stb.
- Elektronikai komponens tartók és tálcák
- Snap-fi t csatlakozók
- Tömítések, tömítések, szívócsészék, cipők, dugók
- Robotkarok
- Kézi szerszámok
Nyomtatási tippek ESD anyagokhoz
A nyomtatott ESD alkatrész elektrosztatikus ellenállása változhat a nyomtató extruder hőmérséklete szerint. Ha túl alacsony, az alkatrész túl szigetelővé válhat (nem disszipál elektromos áramot). Ha túl magas, az alkatrész túl vezetővé válik. Ezért elengedhetetlen ellenőrizni az ESD filament technikai adatait. Ott általában található egy ajánlott nyomtatási hőmérsékleti tartomány.
„Időnként ügyfeleink hívják fel a figyelmünket, hogy az általunk kínált ESD anyagokat nyomtatják, és az alkatrészek túl szigetelők,” mondja Howlett. „Azt tanácsoljuk nekik, hogy növeljék a fúvóka hőmérsékletét 10 ºC-ig, amíg el nem érik a szükséges vezetőképességet. Ugyanezt a hatást tapasztaltam az ESD műanyagokkal a befecskendezéses öntési alkalmazások során. Ha az öntőforma túl hideg volt, akkor az ellenállás alacsony volt, és ezt javíthatóvá tettük az öntőforma hőmérsékletének növelésével.”
Vizsgálja meg az alkatrészek vezetőképességét, és állítsa be az extruder hőmérsékletét felfelé vagy lefelé a kapott érték alapján. Szerencsére sok ESD-biztonságos filamenthez vannak nyomtatási profilok a legnépszerűbb FDM 3D nyomtatókhoz, így van egy biztonságos kiindulópontja.
Az is befolyásolhatja az általános vezetőképességet, hogy mit nyomtat. „A szoros rácsos térköz javítja a felszíni vezetőképességet a vízszintes felületeken,” mondja Howlett. Ráadásul a függőleges falak vezetőképessége általában alacsonyabb, mint a vízszintes falaké.
ESD-biztos filamentek
| Márka | Anyagok | Szén-adalékanyag | Ár |
| 3DXStat a 3DXTech-től | ESD PLA ESD PETG ESD ABS ESD Flex ESD OBC ESD PC ESD PVDF ESD PPS ESD PEI ESD PEKK | nanocső | 88–432 dollár 750 grammonként |
| Jabil | ESD PETg 0800 | 120 dollár 1000 grammonként | |
| Essentium | ESD High-Temp Nylon ESD PCTG ESD TPU 58D-AS ESD TPU 80A-Z ESD TPU 74D-Z | nanocső | 75–145 dollár 750 grammonként |
| Kimya | ESD törtfehér ABS ESD TPC | 55–100 dollár 750 grammonként | |
| AddNorth | ESD PETG | 90 dollár 750 grammonként | |
| Zortrax | ESD Z | 140 dollár 800 grammonként | |
| Fiberolgy | ESD PET-G Fekete ESD ABS | 49–59 dollár 500 grammonként | |
| Markforged | ESD Onyx (nylon) | 290 dollár 800 cm³-ként | |
| TreeD | ESD ABS | 98 dollár 750 grammonként |
ESD-biztos gyanták
| Márka | Anyagok | Szén-adalékanyag | Ár |
| Formlabs | ESD resin | 250 dollár 1000 grammonként | |
| 3Dresyn | ESD tough resin ESD elastic resin ESD flexible resin ESD super elastic resin ESD rigid & tough resin ESD tough & foldable resin | 450 dollár 1000 grammonként | |
| Fortify | ESD resin | ||
| Liqcreate | ESD resin | 145 dollár 1000 grammonként |
ESD-biztos polimer porok
| Márka | Anyagok | Szén-adalékanyag | Ár |
| SinterIt | ESD PA11 | ~185 dollár 1 kg-onként | |
| Ultrasint | ESD PA11 | ||
| Igur | ESD iglidur i8 |
Eredeti forrás: All3dp.com
