ESD-sichere 3D Druck Materialien
Durch spezielle Filamente das Risiko für Schäden durch ESD reduzieren
In diesem Artikel erklären wir Ihnen, wie ESD entsteht, in welchen Anwendungsbereichen sie Probleme verursacht und wie unsere ESD-sicheren 3D Druck Filamente dazu beitragen, diese zu lösen.
Was ist ESD?
ESD steht für „electrostatic discharge“, also elektrostatische Entladung. Diese tritt auf, wenn es zwischen zwei Objekten mit unterschiedlichen Spannungspotenzialen zu einem plötzlichen Ladungsausgleich kommt und kann vor allem bei elektronischen Komponenten, aber auch in zahlreichen anderen Bereichen zu erheblichen Schäden führen.
Wie entsteht ESD?
Generell verfügt jeder Körper über positive und negative Ladung, welche im Normalzustand ausgeglichen ist. Bei einem elektrisch aufgeladenen Gegenstand besteht hingegen ein Ungleichgewicht der Ladungen. Dieses entsteht, indem entweder Ladung auf den Gegenstand übertragen oder von ihm weggenommen wird, z.B. durch Bewegung oder Reibung. Nähert sich dem aufgeladenen Objekt dann ein Körper mit anderem Ladungspotenzial, findet ein schlagartiger Ladungsaustausch statt.
Für den Menschen ist eine elektrostatische Entladung ab etwa 3.000 Volt spürbar und wird umgangssprachlich als „elektrischer Schlag“ bezeichnet. Dieser ist zwar unangenehm, stellt für uns jedoch keine Gefahr dar. Anders sieht das jedoch in Betrieben oder Laboren aus. Schon der kleinste Ladungsausgleich im Produktions- oder Herstellungsprozess kann hier dafür sorgen, dass Komponenten beschädigt werden und es damit verbunden zu kostspieligen Reparaturen oder Verzögerungen kommt.
ESD-sichere Materialien
Um solche Gefahren und Schäden zu verhindern, gilt es, die Ladungen langsam abzuleiten, wozu ESD-sichere Materialien verwendet werden können. Problematisch ist nämlich nicht die Stärke des Stroms, sondern der abrupte Ladungsausgleich. Auch wenn ESD-sichere Materialien keine echten elektrischen Leiter sind, können Elektronen über ihre Oberfläche fließen. Sind die Materialien geerdet, kann die elektrische Ladung über deren Oberfläche an einen geerdeten Punkt strömen, ohne dabei Schaden anzurichten. Geerdete ESD-sichere Materialien sind außerdem antistatisch, d.h. kleine Partikel wie Staub oder Pulver bleiben nicht an ihnen hängen.
Anwendungsfelder für ESD-sichere Materialien
Eines der Hauptanwendungsfelder für ESD-sichere Materialien ist die Elektronik- und Halbleiterindustrie. Dort kann schon ein Ladungsausgleich ab 10 Volt erheblichen Schaden an elektronischen Komponenten verursachen. Die Empfindlichkeit gegenüber ESD steigt in diesem Bereich außerdem stetig, da Bauteile immer kleiner werden und so auch für den Einbau von Schutzladung weniger Platz bleibt.
Da elektrostatische Entladung außerdem Funken erzeugen kann, welche wiederum Explosionen auslösen können, ist es in anderen Bereichen aus Sicherheitsgründen wichtig auf ESD-sichere Materialien zurückzugreifen. So etwa in allen explosiven oder brennbaren Umgebungen, wie bspw. an Zapfsäulen.
Auch bei der Förderung von pulverförmigen Materialen sind ESD-sichere Materialien notwendig, um störende statische Aufladung zu verhindern.
ESD-sichere Materialien für den 3D Druck
ESD-sichere 3D Druck Materialien werden durch die Kombination eines optimierten Basismaterials mit einem leitfähigen Füllstoff hergestellt. Dabei ist das Basismaterial für die Eigenschaften des fertigen Bauteils verantwortlich. Bei der Wahl des richtigen Materials für Ihre Anwendung sollten Sie deshalb darauf achten, welche Anforderungen Sie an Ihr Bauteil haben.
Der Füllstoff dient dazu, die elektrische Leitfähigkeit des Basismaterials in dem für ESD-Materialien festgelegten Bereich herzustellen. Bei diesem Füllstoff handelt es sich oft um Grafit oder Ruß, was kostengünstig ist. Dabei liegt der Füllanteil bei herkömmlichen, für den Spritzguss oder die maschinelle Bearbeitung entwickelten Materialien oft zwischen 15 % und 25 %. Bei 3D druckbaren ESD-sicheren Materialien, die von diesen Spritzgussformulierungen abgeleitet und nicht für den 3D Druck optimiert wurden, kann das Probleme verursachen, da das Material dadurch stark verändert wird. Der hohe Kohlenstoffanteil kann bspw. dazu führen, dass die Materialen zerbrechlicher sind und unter starker Abnutzung leiden.
Eine Alternative, um dies zu verhindern, bieten Kohlenstoff-Nanoröhrchen, auch CNT (carbon nanotubes) genannt. Diese können ebenfalls als Füllstoff verwendet werden und haben einen deutlich geringeren Einfluss auf die Eigenschaften des Basismaterials. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch ihr hohes Aspektverhältnis (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) ein elektrisch leitfähiges Netzwerk in einer Polymermatrix bei sehr geringer Belastung bilden. Außerdem sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen sehr gute Stromleiter, wodurch eine große Bandbreite an Leitfähigkeitswerten realisiert werden kann. Wie bei der Wahl des Basismaterials, lohnt es sich auch für das Füllmaterial, die jeweiligen Vor- und Nachteile abhängig vom Anwendungsfall abzuwägen.
Unsere Auswahl an ESD-sicheren Filamenten mit CNT Füllstoff
Je nach Anforderungen und Anwendungsfall haben Sie bei uns momentan die Auswahl zwischen drei verschiedenen ESD-sicheren Filamenten für das FDM-Verfahren: ESD ABS, ESD PLA und ESD PETG
Bei allen dreien Materialien wurden dünne, mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Füllstoff verwendet, um eine gleichmäßige Leitfähigkeit zu erzielen. Laut Herstellerangaben kann bei allen dreien ein Zielflächenwiderstand von 107 bis zu 109 Ohm/sq erreicht werden. Geeignet sind die genannten Materialien für Anwendungen, die einen Schutz gegen elektrostatische Entladungen erfordern, wie z. B. elektrische Gehäuse, Steckverbindungen und Komponenten. Abhängig von der Basis bringt jedes Material außerdem weitere Eigenschaften mit sich.
So zeichnet sich ABS etwa durch eine hohe Stabilität bei Stößen und Dehnungen sowie eine thermische Stabilität bis zu 95°C aus. Insbesondere bei dünnen Wandstärken ist das Material jedoch sehr spröde.
PLA, welches aus regenerativen Quellen (z.B. Maisstärke) gewonnen wird, liefert eine hohe Zugfestigkeit sowie Oberflächenhärte und Steifigkeit. Jedoch kann es nur bedingt für Anwendungen mit thermischem Eintrag verwendet werden.
Der Kunststoff PETG kombiniert die besten Eigenschaften aus ABS und PLA. Er ist zäher als ABS, hitzebeständiger als PLA, UV-stabil und gegenüber vielen Chemikalien resistent.
Weitere detaillierte Informationen zu den Materialien finden Sie jeweils im Datenblatt des Herstellers: ESD ABS, ESD PLA, ESD PETG
Wenn Sie weitere Fragen zu ESD-sicheren 3D Druck Materialien haben oder Bauteile aus ESD-sicheren Filamenten drucken lassen möchten, können Sie sich jederzeit direkt an uns wenden. Wir helfen Ihnen gerne, das Risiko für Schäden durch elektrostatische Entladung zu reduzieren.