Tecnologías de impresión 3D para productos ESD seguros

Descarga electrostática es un fenómeno común en la naturaleza . Puede ser provocada por un cortocircuito eléctrico (cortocircuito), una ruptura dieléctrica o cuando se produce el contacto entre dos objetos cargados eléctricamente (electricidad estática), lo que resulta en un flujo repentino y corto de corriente eléctrica. ESD se genera comúnmente de dos maneras. Uno de ellos es la tribocarga, que ocurre cuando dos materiales se unen y luego se separan, dando como resultado una diferencia de potencial eléctrico . La otra razón para que ocurran eventos de ESD es la inducción electrostática. Ocurre cuando un objeto cargado eléctricamente está cerca de un objeto conductor que no está en contacto con el suelo.

Video 1. Riesgos de descargas electrostáticas en aviación. Fuente:Ciencia aeronáutica.

Todo el mundo ha experimentado un evento ESD en algún momento de su vida. Existen numerosos ejemplos de ESD en la vida cotidiana, incluidos los rayos, la estática del cabello causada por la ropa de nailon/lana, un peine de plástico o un tobogán, la espuma de poliestireno adherida a la piel, el polvo que se acumula en la pantalla del televisor segundos después de haberla limpiado, el famoso “ chispa” o “patada” al tocar el pomo de una puerta o a otra persona.

Riesgos asociados con ESD

Los eventos ESD son en su mayoría inofensivos, aunque molestos, para los humanos . La electricidad estática también puede ser un fenómeno muy útil. Las tecnologías basadas en la electricidad estática se utilizan en fotocopiadoras, precipitadores electrostáticos en purificadores de aire, pintura en aerosol electrostática o láminas/bolas secadoras. Sin embargo, en ciertos contextos, la ESD puede ser muy peligrosa y tener consecuencias nefastas, especialmente en industrias manufactureras o de alto riesgo.

Imagen 1. Las graves consecuencias de un evento ESD en una placa base. Fuente:Preguntas frecuentes sobre tecnología.

ESD es una gran amenaza para los dispositivos electrónicos sensibles , especialmente circuitos integrados y microchips. Pueden sufrir daños permanentes (daños catastróficos o latentes) cuando pasa a través de ellos una corriente de alto voltaje. Esto puede suceder de tres maneras:

1. HBM (modelo del cuerpo humano):el cuerpo humano transfiere una carga electrostática a un dispositivo.

2. MM (Modelo de máquina) :un objeto conductor cargado, como una herramienta o dispositivo metálico, transfiere una carga electrostática cargo.

3. CDM (modelo de dispositivo cargado):se produce cuando se transfiere una carga electrostática a través del embalaje o una superficie de trabajo.

La descarga electrostática también es extremadamente peligroso 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

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 contra ESD. Fuente:Safety Working TECH.

Hay muchos materiales antiestáticos, sustancias y dispositivos elaborados y fabricados especialmente con el fin de proteger a personas y dispositivos de las consecuencias de descargas electrostáticas. Las soluciones de protección ESD incluyen:

• Agentes químicos.

• Puesta a tierra eléctrica.

• Ropa ESD, muñequeras antiestáticas, plantillas y accesorios ESD.

• Bolsas antiestáticas para el almacenamiento y envío de productos electrónicos.

• Barras ionizantes en líneas de producción.

• Mobiliario de oficina ESD.

• Cuartos limpios diseñados para evitar el ingreso de polvo, organismos en el aire o partículas vaporizadas, y prevenir virus y sustancias nocivas o la radiación de salir.

• Sistemas antiestáticos de máquinas que utilizan electrones o fotoemisión para reducir la ESD.

La seguridad ESD adecuada no solo puede proteger el mal funcionamiento del dispositivo, sino también reducir las pérdidas financieras relacionadas con fallas e incluso salvar vidas.

Seguridad ESD en impresión 3D

Los métodos de producción sustractivos, como el moldeo por inyección y el mecanizado CNC, existen desde hace mucho tiempo y son excelentes para la producción a gran escala de herramientas estandarizadas. Pero cuando se trata de producir pequeñas cantidades de herramientas, plantillas o accesorios altamente personalizados, la fabricación aditiva es la mejor opción . El diseño y la fabricación de moldes lleva mucho tiempo y no compensa producir pequeñas cantidades de herramientas y accesorios personalizados. Además, los plásticos avanzados que se utilizan en el mecanizado CNC son muy caros y, a menudo, se desperdician durante el proceso de mecanizado. El uso de la impresión 3D para fabricar herramientas, plantillas y accesorios especializados personalizados internamente y bajo demanda es un paso adelante para muchas empresas, ya que tiene muchas ventajas. Si se utiliza el material adecuado, una versión impresa en 3D de una herramienta o accesorio tradicional puede ser más fuerte, más resistente a la corrosión, más liviana y mucho más económica y rápida de fabricar internamente en lugar de hacerlo a través de contratistas externos mediante moldeo por inyección o mecanizado CNC. Todo esto otorga a los fabricantes mayor flexibilidad y posibilidad de personalizar los procesos de trabajo en función de las necesidades de la empresa. La impresión 3D lleva menos tiempo, es más asequible y elimina el desperdicio de material ya que solo se va a imprimir lo que se necesita.

Video 2. Un caso de éxito:Mercury Systems comienza a imprimir en 3D herramientas y accesorios seguros contra ESD. Fuente:Essentium.

La seguridad ESD no es una excepción , desde la impresión 3D - la disciplina de rápida adaptación que es - ya tiene una solución confiable y bien probada para fabricar herramientas, plantillas y accesorios antiestáticos. Los materiales seguros para ESD en la impresión 3D pueden presentarse de muchas formas. Existen filamentos, gránulos, resinas y polvos antiestáticos.

Filamentos

Filamentos seguros para ESD utiliza varias tecnologías para lograr las propiedades antiestáticas , siendo los más comunes el negro de humo o el grafito rellenos . La cantidad de relleno de carbono en el polímero determina el nivel de resistividad de la superficie (medida en ohmios), eléctricamente conductora, disipativa o aislante. Otra forma de hacer que un material sea antiestático es añadir recubrimientos antiestáticos o , como es el caso de Essentium , una capa superficial de nanopolímeros conductores para reducir el riesgo de degradación del rendimiento que se observa comúnmente con los rellenos o recubrimientos ESD.

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

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

Imagen 4:Cajas electrónicas seguras impresas con ESD PLA de 3DXTech (izquierda) y ESD ABS de Nanovia (derecha). Fuente:Filament2Print.

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

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

Además de las aplicaciones en la industria aeroespacial, este filamento se puede usar para imprimir en 3D cubiertas de paneles resistentes a la abrasión, cajas de almacenamiento seguras contra ESD o tapas antipolvo seguras contra ESD. El polvo y otras partículas tienden a acumular electricidad estática y provocan fallas en el sistema en muchas fábricas de productos electrónicos.

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

Resinas y polvos

También hay opciones sin filamentos para impresión 3D seguro ESD objetos , como resinas para impresión 3D SLA y polvos para impresión 3D SLS . Todos tienen excelentes propiedades, según el plástico y las aplicaciones previstas, que van desde la industria automotriz y la instrumentación científico-técnica hasta la electrónica de consumo.

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

Las resinas y los polvos seguros para ESD son buenos para la impresión en 3D de herramientas, plantillas y accesorios antiestáticos para la producción, montaje y prueba de componentes electrónicos, así como para la producción de componentes para uso en atmósferas explosivas. Algunos materiales seguros contra ESD incluso tienen propiedades repelentes del polvo . Como se mencionó anteriormente, el polvo y otras partículas tienden a acumular electricidad estática y aumentan el riesgo de eventos de ESD. . Dado que la mayoría de los plásticos atraen el polvo y la suciedad, usar una opción segura contra ESD es mucho más seguro en entornos sensibles a ESD.

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

Uno de esos materiales es la resina ESD de Formlabs , que se puede utilizar para imprimir herramientas y accesorios en 3D incluso para las condiciones de fabricación más exigentes.

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Accesorios ESD

La seguridad ESD en el mundo de la impresión 3D no se limita solo a la impresión de 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 Lawang ESD son útiles cuando se trata de quitar piezas de la placa de construcción, limpiar material de la boquilla, quitar soportes o realizar el mantenimiento de la impresora. Para minimizar el riesgo de un evento de ESD que podría dañar los componentes electrónicos de la impresora 3D, se recomienda utilizar las pinzas de precisión seguras para ESD.

Imagen 8. Pinzas de precisión Lawang ESD-safe. Fuente:Filament2Print.

Otra precaución a tomar al momento de la impresión 3D es asegurarse de que la superficie de impresión libre de polvo, partículas y electricidad estática . Una forma de garantizarlo es utilizar algún tipo de limpiador, por ejemplo, el Novus 1. limpiador acrílico para tanques de resina. Limpia plásticos sin rayarlos y evita que se empañen, 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 provocar 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 las necesidades de las industrias más exigentes que requieren herramientas, materiales y tecnología s que pueden garantizar no solo un rendimiento superior sino también versatilidad de usos y seguridad. Materiales con propiedades ESD-safe se puede encontrar en la 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 las herramientas de mantenimiento y accesorios de limpieza de impresoras 3D ESD-safe.