ESD filamenty pro 3D tisk: kdy řešit antistatický nebo vodivý materiál

U dílů kolem elektroniky často nestačí řešit jen pevnost, teplotu nebo vzhled. Někdy je potřeba zabránit tomu, aby plastový díl držel statický náboj a při kontaktu poškodil citlivou součástku. Právě tam se řeší ESD filamenty: antistatické, disipativní nebo vodivé materiály pro 3D tisk.

Zní to jednoduše, ale v praxi je kolem ESD hodně zkratek a marketingu. Černý filament nemusí být vodivý. Vodivý filament nemusí být vhodný přímo na kontakt s elektronikou. A ESD materiál sám o sobě ještě neznamená, že celý výrobní proces splňuje požadavky ESD pracoviště.

Rychlá odpověď: ESD filament dává smysl pro přípravky, držáky, kryty, zásobníky a montážní pomůcky používané u citlivé elektroniky. Nejdůležitější je ověřit povrchový odpor nebo objemový odpor v technickém listu, způsob měření, základní polymer a to, jestli bude mít díl v reálném použití cestu k uzemnění.

Co znamená ESD

ESD je zkratka pro electrostatic discharge, tedy elektrostatický výboj. Typicky jde o krátké vybití statického náboje mezi dvěma objekty. Člověk ho někdy cítí jako malé štípnutí při dotyku kliky, ale elektronická součástka může být poškozená i výbojem, který člověk vůbec neucítí.

U 3D tištěných dílů vzniká problém hlavně tehdy, když se běžný plast používá v blízkosti elektroniky. Držák, krabička, zásobník nebo montážní přípravek se může třením nabít a náboj držet. Při kontaktu s deskou plošných spojů nebo citlivou součástkou pak vzniká riziko poškození.

Antistatický, disipativní a vodivý není totéž

U ESD materiálů se často zaměňují tři pojmy:

• Antistatický materiál má omezovat hromadění statického náboje. Samotné slovo je ale často příliš obecné a bez čísel v technickém listu moc neříká.
• Disipativní materiál odvádí náboj řízeně a pomaleji. To je pro mnoho ESD aplikací vhodnější než příliš rychlé vybití.
• Vodivý materiál vede elektrický proud výrazně lépe. Může být užitečný pro uzemněné prvky nebo stínění, ale u elektroniky může být i rizikový, pokud by způsobil nežádoucí vodivé spojení.

Proto nestačí napsat "ESD filament". Důležité je, do jaké oblasti odporu materiál spadá, jak byla hodnota změřená a jestli odpovídá konkrétnímu použití.

Kde ESD filament dává smysl

ESD filamenty mají největší smysl u dílů, které přicházejí do kontaktu s elektronikou nebo se používají v ESD režimu:

• montážní přípravky pro osazování a testování elektroniky,
• držáky desek plošných spojů,
• zásobníky, pořadače a přepravní vložky pro citlivé součástky,
• kryty elektroniky v servisním nebo laboratorním prostředí,
• adaptéry a měřicí přípravky na vývojovém pracovišti,
• díly do ESD pracovních stanic, pokud mají jasně řešené použití a uzemnění.

Typický příklad: firma potřebuje přípravek, do kterého se opakovaně vkládá deska plošných spojů při testování. Běžné PLA nebo PETG může být mechanicky dostatečné, ale z pohledu statiky nevhodné. ESD varianta materiálu může snížit riziko hromadění náboje.

Co zkontrolovat v technickém listu

U ESD filamentu je technický list ještě důležitější než u běžných materiálů. Nestačí obchodní název ani barva. Sledujeme hlavně:

• povrchový odpor nebo povrchovou rezistivitu,
• objemový odpor nebo objemovou rezistivitu,
• normu nebo metodu měření, například z rodiny IEC 61340 nebo ANSI/ESD,
• podmínky měření, hlavně vlhkost a teplotu,
• základní polymer, tedy jestli jde o PLA, PETG, ABS, ASA, PA nebo PC,
• teplotní a mechanické parametry, protože ESD přísada sama o sobě neřeší pevnost ani teplotu,
• REACH/RoHS nebo další prohlášení, pokud díl míří do průmyslového použití.

Hodnoty odporu se u ESD materiálů obvykle pohybují v řádech mocnin deseti, takže rozdíl mezi dvěma filamenty může být obrovský, i když v e-shopu vypadají podobně. Materiál s odporem 10^5 ohmů a materiál s odporem 10^9 ohmů se v aplikaci nechová stejně.

Proč nestačí koupit "vodivý PLA"

Mnoho ESD nebo vodivých filamentů používá uhlíkové plnivo: carbon black, uhlíková vlákna, grafit, případně pokročilejší uhlíkové přísady. Díky tomu materiál vede nebo disipuje náboj. Jenže plnivo mění i tisk a mechaniku.

Uhlíkové plnivo může:

• zvýšit tuhost,
• snížit houževnatost,
• zhoršit pevnost mezi vrstvami,
• urychlit opotřebení trysky,
• změnit smrštění a rozměrové chování,
• ovlivnit povrch a přesnost detailů.

Zároveň základní polymer pořád rozhoduje. ESD PLA může mít vhodné elektrické chování, ale pořád má nízkou teplotní odolnost. ESD PETG může být vhodnější pro běžné přípravky. ESD PA nebo PC může dávat smysl pro technicky náročnější díly, ale je dražší a náročnější na tisk.

ESD filament není certifikace celého dílu

Tohle je důležité: technický list filamentu neznamená, že hotový 3D tištěný díl automaticky splní stejné hodnoty v každém místě a za každých podmínek.

U FDM tisku výsledek ovlivní:

• orientace vrstev,
• směr měření vůči vrstvám,
• počet perimetrů,
• výplň,
• teplota tisku,
• vlhkost materiálu,
• povrch dílu,
• kontakt dílu s uzemněným prvkem.

Pokud má být díl součástí ESD pracoviště, nestačí jen použít ESD filament. Musí být jasné, jak bude díl zapojený do celého ESD režimu: jestli má cestu k zemi, s čím se dotýká, jak se bude čistit a jestli je potřeba výsledek měřit.

Kdy ESD materiál nepomůže

ESD filament není univerzální řešení pro všechny problémy kolem elektroniky. Nedává smysl ho volit jen proto, že je "lepší". Nepomůže například tehdy, když:

• díl není v kontaktu s elektronikou ani ESD pracovištěm,
• hlavní problém je teplota nebo mechanická pevnost a ESD není potřeba,
• zákazník očekává elektrickou izolaci, ale materiál je naopak vodivý,
• díl má fungovat jako garantované stínění bez návrhu a měření,
• požadavek je certifikovaný ESD systém, ale řeší se jen samotný výtisk.

U elektroniky je navíc potřeba myslet na opačné riziko: příliš vodivý díl může způsobit zkrat, pokud se dotkne špatného místa. Proto je často vhodnější disipativní materiál než co nejnižší odpor za každou cenu.

Jak ESD díl poptat

Když poptáváte 3D tisk z ESD materiálu, nejvíc pomůže popsat použití dílu:

• bude se díl dotýkat desky plošných spojů nebo součástek?
• má být díl trvale uzemněný?
• má jít o držák, kryt, zásobník, testovací přípravek nebo přepravní vložku?
• v jaké teplotě a prostředí bude pracovat?
• potřebujete konkrétní rozsah odporu nebo konkrétní normu?
• stačí materiál podle datasheetu, nebo se má výsledek ověřovat měřením?

Bez těchto informací nejde ESD materiál vybrat poctivě. Stejně jako u teplotní odolnosti nebo mechaniky rozhoduje konkrétní použití, ne jen název filamentu.

Co si odnést

• ESD filament má smysl hlavně u dílů pro elektroniku, testování, montáž a ESD pracoviště.
• Antistatický, disipativní a vodivý materiál nejsou totéž.
• U ESD materiálu je nutné číst technický list: odpor, normu měření, podmínky a základní polymer.
• Základní polymer pořád rozhoduje o teplotě, pevnosti, houževnatosti a tisknutelnosti.
• ESD filament sám o sobě neznamená certifikovaný ESD proces ani garantované vlastnosti hotového dílu.

Časté otázky

Je ESD filament vždy vodivý? Ne. Některé materiály jsou výrazně vodivé, jiné jsou spíš disipativní. Pro mnoho aplikací kolem elektroniky je řízené odvádění náboje vhodnější než co nejnižší odpor.

Stačí použít černý filament? Ne. Barva nic negarantuje. Černý PLA nebo PETG může být úplně běžný izolant. Rozhodující jsou hodnoty odporu a metoda měření v technickém listu.

Může ESD díl způsobit zkrat? Ano, pokud je materiál dostatečně vodivý a dotkne se nevhodných kontaktů. Proto se u dílů pro elektroniku musí řešit, kde bude díl v kontaktu s deskou nebo součástkami.

Je ESD PLA vhodné do výroby? Záleží na použití. Elektricky může vyhovovat, ale PLA má nízkou teplotní odolnost a omezenou houževnatost. Pro přípravky, které se zahřívají nebo mechanicky namáhají, může být vhodnější ESD PETG, PA nebo PC.

Dá se ESD vlastnost hotového výtisku garantovat? Jen pokud je jasně daný požadavek, materiál, způsob tisku a způsob ověření. Datasheet filamentu je dobrý výchozí bod, ale FDM díl ovlivní orientace vrstev, geometrie, povrch a kontakt s uzemněním.