Técnicas avanzadas de impresión 3D para productos seguros contra descargas electrostáticas (ESD)

La descarga electrostática es un fenómeno común en la naturaleza. Puede provocarse por un cortocircuito eléctrico, una ruptura dieléctrica, o cuando se produce contacto entre dos objetos eléctricamente cargados (electricidad estática), resultando en un flujo súbito y breve de corriente eléctrica. La ESD se genera comúnmente de dos formas. Una de ellas es la triboelectrificación, que ocurre cuando dos materiales se unen y luego se separan, resultando en una diferencia de potencial eléctrico. La otra razón para que ocurran eventos ESD es la inducción electrostática. Ocurre cuando un objeto eléctricamente cargado está cerca de un objeto conductor no conectado a tierra.

Vídeo 1. Riesgos de descarga electrostática en aviación. Fuente: Aircraft Science.

Todos hemos experimentado un evento ESD en algún momento de nuestras vidas. Hay numerosos ejemplos cotidianos de ESD, como rayos, electricidad estática en el cabello por ropa de nailón/lana, un peine de plástico o un tobogán, poliestireno expandido pegado a la piel, el polvo que se acumula en la pantalla del televisor segundos después de limpiarse, la famosa "chispa" o "calambrazo" al tocar un pomo de puerta u otra persona.

Riesgos asociados a la ESD

Los eventos ESD son en su mayoría inofensivos, aunque molestos, para los humanos. La electricidad estática también puede ser un fenómeno muy útil. Tecnologías basadas en electricidad estática se usan en fotocopiadoras, precipitadores electrostáticos en purificadores de aire, pintura electrostática por pulverización, o hojas/bolas para secadora. Sin embargo, en ciertos contextos, la ESD puede ser muy peligrosa y tener consecuencias nefastas, especialmente en la fabricación o industrias de alto riesgo.

Imagen 1. Las graves consecuencias de un evento ESD en una placa base. Fuente: Techno FAQ.

La ESD es muy amenazante para la electrónica sensible, especialmente circuitos integrados y microchips. Pueden dañarse permanentemente (daño catastrófico o latente) cuando pasa una corriente de alto voltaje a través de ellos. Esto puede ocurrir de tres formas:

1. HBM (Modelo Cuerpo Humano) - el cuerpo humano transfiere una carga electrostática a un dispositivo.

2. MM (Modelo Máquina) - un objeto conductor cargado, como una herramienta o utillaje metálico, transfiere una carga electrostática.

3. CDM (Modelo Dispositivo Cargado) - ocurre cuando una carga electrostática se transfiere a través de un embalaje o una superficie de trabajo.

La descarga electrostática es también extremadamente peligrosa en entornos con atmósferas potencialmente explosivas, como espacios que contienen gas, vapor de combustible, polvo de carbón o incluso polvo de harina.

Prevención de ESD

La prevención de ESD es de suma importancia en plantas de fabricación, centros de envío, o en espacios con atmósferas inflamables y explosivas.

Imagen 2. Un espacio de trabajo seguro ESD. Fuente: Safety Working TECH.

Existen muchos materiales antiestáticos, sustancias y dispositivos elaborados y fabricados especialmente para proteger a personas y dispositivos de las consecuencias de la descarga electrostática. Las soluciones de protección ESD incluyen:

• Agentes químicos.

• Puesta a tierra eléctrica.

• Ropa ESD, pulseras antiestáticas, utillajes y fijaciones ESD.

• Bolsas antiestáticas para almacenamiento y envío de electrónica.

• Barras ionizantes en líneas de producción.

• Mobiliario de oficina ESD.

• Salas blancas diseñadas para mantener polvo, organismos aerotransportados o partículas vaporizadas fuera, y evitar que virus, sustancias nocivas o radiación salgan.

• Sistemas antiestáticos de máquinas usando emisión de electrones o fotoemisión para reducir ESD.

Una correcta seguridad ESD no solo puede proteger contra fallos de dispositivos, sino también reducir pérdidas económicas por fallos e incluso salvar vidas.

Seguridad ESD en impresión 3D

Los métodos de producción sustractiva, como moldeo por inyección y mecanizado CNC, llevan mucho tiempo y son geniales para producción a gran escala de herramientas estandarizadas. Pero cuando se trata de producir pequeñas cantidades de herramientas, utillajes o fijaciones altamente personalizadas, la fabricación aditiva es la mejor opción. El diseño y fabricación de moldes lleva mucho tiempo y no compensa para producir pequeñas cantidades de herramientas y fijaciones personalizadas. Además, los plásticos avanzados usados en mecanizado CNC son muy caros y a menudo se desperdician durante el proceso de mecanizado. Usar impresión 3D para fabricar herramientas especializadas, utillajes y fijaciones a medida en casa y bajo demanda es un avance para muchas empresas, ya que tiene muchas ventajas. Si se usa el material adecuado, una versión impresa en 3D de una herramienta o fijación tradicional puede ser más fuerte, más resistente a la corrosión, más ligera, y mucho más barata y rápida de fabricar en casa que a través de contratistas externos mediante moldeo por inyección o mecanizado CNC. Todo esto otorga a los fabricantes mayor flexibilidad y la posibilidad de personalizar los procesos de trabajo según las necesidades de la empresa. La impresión 3D lleva menos tiempo, es más asequible, y elimina el desperdicio de material ya que solo se imprime lo necesario.

Vídeo 2. Caso de éxito - Mercury Systems empieza a imprimir en 3D herramientas y fijaciones seguras ESD. Fuente: Essentium.

La seguridad ESD no es una excepción, ya que la impresión 3D - la disciplina de rápida adaptación que es - ya tiene una solución probada y fiable para fabricar herramientas, utillajes y fijaciones antiestáticas. Los materiales seguros ESD en impresión 3D pueden presentarse de muchas formas. Hay filamentos antiestáticos, pellets, resinas y polvos.

Filamentos

Los filamentos seguros ESD usan diversas tecnologías para lograr propiedades antiestáticas, las más comunes siendo rellenos de negro de carbono o grafito. La cantidad de relleno de carbono en el polímero determina el nivel de resistividad superficial (medida en Ohmios) - eléctricamente conductor, disipativo o aislante. Otra forma de hacer un material antiestático es añadir recubrimientos antiestáticos o, como es el caso de Essentium, una capa superficial de nanopolímeros conductivos para reducir el riesgo de degradación del rendimiento comúnmente visto con rellenos o recubrimientos ESD.

Imagen 3. Una carcasa de disco duro (izq) y un medidor de conductividad impresos en 3D con filamento Zortrax-Z ESD V2 basado en PET. Fuente: Zortrax.

Casi todos los polímeros comúnmente usados en impresión 3D tienen una opción segura ESD. Hay plásticos estándar antiestáticos (ABS, PLA) y plásticos de ingeniería (PA, PET, PCTG), así como plásticos antiestáticos diseñados para aplicaciones avanzadas (PEKK, TPU).

Imagen 4: Carcasas electrónicas seguras impresas con ESD PLA de 3DXTech (izq) y ESD ABS de Nanovia (der). Fuente: Filament2Print.

Hay filamentos antiestáticos diseñados para sectores específicos, como el Essentium TPU 58D-AS de la familia de filamentos flexibles avanzados.

Imagen 5. Etiquetas impresas en 3D con TPU 58D-AS. Fuente: Essentium.

Además de aplicaciones en la industria aeroespacial, este filamento puede usarse para imprimir en 3D cubiertas de paneles resistentes a la abrasión, cajas de almacenamiento seguras ESD o tapones de polvo seguros ESD. El polvo y otras partículas tienden a acumular electricidad estática y provocar fallos de sistema en muchas fábricas de electrónica.

Nanovia ABS ESD 3DXSTAT ESD PLA Essentium TPU 58D-AS Zortrax Z-ESD V2

Resinas y polvos

También hay opciones no filamento para impresión 3D seguras ESD, objetos, como resinas para impresión 3D SLA, y polvos para impresión 3D SLS. Todos tienen excelentes propiedades, según el plástico y aplicaciones previstas - desde la industria automotriz e instrumentación científico-técnica hasta electrónica de consumo.

Imagen 6. Carcasas impresas en 3D con PA11 ESD de Sinterit. Fuente: Sinterit.

Las resinas y polvos seguros ESD son buenos para imprimir en 3D herramientas, utillajes y fijaciones antiestáticas para la producción, ensamblaje y test de componentes electrónicos, así como para la producción de componentes para uso en atmósferas explosivas. Algunos materiales seguros ESD incluso tienen propiedades repelentes al polvo. Como se mencionó antes, el polvo y otras partículas tienden a acumular electricidad estática y aumentan el riesgo de eventos ESD. Como la mayoría de plásticos atraen polvo y suciedad, usar una opción segura ESD es mucho más seguro en entornos sensibles a ESD.

Imagen 7. Herramientas y fijaciones impresas con la resina ESD repelente al polvo de Formlabs. Fuente: Formlabs.

Uno de estos materiales es la resina ESD de Formlabs, que puede usarse para imprimir en 3D herramientas y fijaciones incluso para las condiciones de fabricación más exigentes.

Formlabs IBT resin Sinterit PA11 ESD powder Precise ESD tweezers Novus 1 antistatic 3D printer cleaner

Accesorios ESD

La seguridad ESD en el mundo de la impresión 3D no se limita solo a imprimir filamentos, resinas y polvos. También hay varios agentes de limpieza y accesorios que garantizan la seguridad ESD durante el proceso de impresión o el mantenimiento de la impresora 3D. Las pinzas de precisión ESD Lawang son útiles para retirar piezas de la base de impresión, limpiar material de la boquilla, retirar soportes o mantenimiento de la impresora. Para minimizar el riesgo de un evento ESD que pueda dañar la electrónica de la impresora 3D, se recomienda usar pinzas de precisión seguras ESD.

Imagen 8. Pinzas de precisión seguras ESD Lawang. Fuente: Filament2Print.

Otra precaución a tomar en el momento de la impresión 3D es asegurar que la superficie de impresión está libre de polvo, partículas y electricidad estática. Una forma de asegurar eso es usar un limpiador, por ejemplo el Novus 1 limpiador acrílico para tanques de resina. Limpia plásticos sin rayarlos y evita el empañamiento, repele el polvo y elimina la carga estática. Es crucial para impresiones SLA exitosas porque la suciedad en el tanque de resina puede desviar el láser y resultar en impresiones fallidas.

Imagen 9. Limpiador acrílico Novus 1 para tanques de resina, elimina polvo, suciedad y carga estática. Fuente: Formlabs.

La industria de la impresión 3D está a la altura de satisfacer las necesidades de incluso las industrias más exigentes que requieren herramientas, materiales y tecnologías que puedan asegurar no solo un rendimiento superior sino también versatilidad de usos y seguridad. Materiales con propiedades seguras ESD pueden encontrarse en impresión FDM (filamentos y pellets antiestáticos), impresión SLA (resinas ESd), y SLS (polvos anti-ESD). La seguridad de las superficies de impresión también está cubierta gracias a herramientas de mantenimiento de impresoras 3D seguras ESD y accesorios de limpieza.