Fabricar productos ESD con impresión 3D

La descarga electrostática es un fenómeno común en la naturaleza. Puede ser provocada por un cortocircuito, una ruptura dieléctrica o cuando se produce un contacto entre dos objetos cargados eléctricamente (electricidad estática), lo que da lugar a un flujo repentino y corto de corriente eléctrica. La ESD suele generarse de dos maneras. Una de ellas es la triboalimentación, que se produce cuando dos materiales se unen y luego se separan, dando lugar a una diferencia de potencial eléctrico. La otra razón por la que se producen episodios de ESD es la inducción electrostática. Se produce cuando un objeto cargado eléctricamente está cerca de un objeto conductor que no está en contacto con la tierra. 

Vídeo 1. Riesgos de las descargas electrostáticas en la aviación. Fuente: Aircraft Science. 

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

Riesgos asociados a la ESD

Los fenómenos de ESD son en su mayoría inofensivos, aunque molestos, para los seres humanos. Pero la electricidad estática también puede ser un fenómeno muy útil. Las tecnologías basadas en la electricidad estática se utilizan en las fotocopiadoras, en los precipitadores electrostáticos de los purificadores de aire, en la pintura electrostática en spray o en las sábanas y bolas de secado. Sin embargo, en determinados contextos, la ESD puede ser muy peligrosa y tener consecuencias nefastas, sobre todo en industrias manufactureras o de alto riesgo.

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

La ESD es muy peligrosa para los componentes electrónicos sensibles, especialmente los circuitos integrados y los microchips. Pueden sufrir daños permanentes (daños catastróficos o latentes) cuando una corriente de alto voltaje los atraviesa. Esto puede ocurrir de tres maneras:

1. HBM (Human Body Model) - El cuerpo humano transfiere una carga electrostática a un dispositivo.

2. MM (Machine Model)  - un objeto conductor cargado, como una herramienta o accesorio metálico, transfiere una carga electrostática.

3. CDM (Charged Device Model) - se produce cuando se transfiere una carga electrostática a través de un embalaje o una superficie de trabajo.

La descarga electrostática también es extremadamente peligrosa en entornos con atmósferas potencialmente explosivas, como los 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 con seguridad ESD. Fuente: Safety Working TECH.

Existen muchos materiales, sustancias y dispositivos antiestáticos elaborados y fabricados especialmente para proteger a las personas y los dispositivos de las consecuencias de las descargas electrostáticas. Entre las soluciones de protección contra las descargas electrostáticas se encuentran:

• Agentes químicos.

• Conexión eléctrica a tierra.
• Ropa ESD, muñequeras antiestáticas, plantillas y accesorios ESD.
• Bolsas antiestáticas para el almacenamiento y envío de productos electrónicos.
• Barras ionizadoras en las líneas de producción.
• Mobiliario de oficina ESD.
• Salas blancas diseñadas para evitar que el polvo, los organismos transportados por el aire o las partículas vaporizadas se introduzcan en su interior, e impedir que los virus, las sustancias nocivas o las radiaciones salgan al exterior.
• Sistemas antiestáticos de máquinas que utilizan la emisión de electrones o la fotoemisión para reducir la ESD.

Una seguridad ESD adecuada no sólo puede proteger el mal funcionamiento de los dispositivos, sino también reducir las pérdidas económicas relacionadas con los fallos e incluso salvar vidas.

Seguridad ESD en la impresión 3D

Los métodos de producción sustractiva, 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 muy 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 y personalizados en la empresa 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 ligera y mucho más barata y rápida de fabricar internamente en lugar de hacerlo a través de contratistas externos mediante el moldeo por inyección o el mecanizado CNC. Todo ello otorga a los fabricantes una mayor flexibilidad y la posibilidad de personalizar los procesos de trabajo en función de las necesidades de la empresa. La impresión 3D conlleva ahorro de tiempo, es más asequible y elimina el desperdicio de material, ya que sólo se imprime lo que se necesita.

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

La seguridad ESD no es una excepción, ya que la impresión 3D ya tiene una solución bien probada y fiable para fabricar herramientas, plantillas y accesorios antiestáticos. Los materiales seguros para la ESD en la impresión 3D pueden presentarse de muchas formas. Hay filamentos, pellets, resinas y polvos antiestáticos.

Filamentos

Los filamentos seguros para ESD utilizan varias tecnologías para conseguir las propiedades antiestáticas, siendo las más comunes los rellenos de carbono negro o grafito.. La cantidad de relleno de carbono en el polímero determina el nivel de resistividad de la superficie (medido en ohmios): conductor, disipador o aislante de la electricidad. Otra forma de hacer que un material sea antiestático es añadirle revestimientos antiestáticos o, como en el caso de Essentium, una capa superficial de nanopolímeros conductores para reducir el riesgo de degradación del rendimiento que suele producirse con los rellenos o revestimientos ESD.

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

Casi todos los polímeros utilizados habitualmente en la impresión 3D tienen una opción de seguridad 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 seguras para electrónica, impresas con ESD PLA de 3DXTech (izquierda) y ESD ABS de Nanovia (derecha). Fuente: Filament2Print.

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

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

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

Resinas y polvos

También existen opciones, que no son filamentos, para imprimir objetos con seguridad ESD, como las resinas para la impresión 3D SLA y los polvos para la impresión 3D SLS. Todos ellos tienen excelentes propiedades, según el plástico y las aplicaciones previstas, que van desde la industria del automóvil y la instrumentación científico-técnica hasta la electrónica de consumo. 

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

Las resinas y polvos ESD-safe son buenos para imprimir en 3D herramientas antiestáticas, plantillas y accesorios para la producción, el montaje y las pruebas de componentes electrónicos, así como para la producción de componentes para su uso en atmósferas explosivas. Algunos materiales antiestáticos tienen incluso propiedades para repeler el polvo. Como ya se ha mencionado, el polvo y otras partículas tienden a acumular electricidad estática y aumentan el riesgo de que se produzcan casos de ESD. 

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

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

Accesorios ESD

La seguridad ESD en el mundo de la impresión 3D no se limita a la impresión de filamentos, resinas y polvos. También hay varios productos 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 a la hora de retirar piezas de la placa de impresión, limpiar el material de la boquilla, retirar soportes o realizar el mantenimiento de la impresora. Para minimizar el riesgo de un evento de ESD que podría dañar la electrónica 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 que hay que tomar a la hora de imprimir en 3D es asegurarse de que la superficie de impresión está libre de polvo, partículas y electricidad estática. Una forma de asegurarlo es utilizar algún tipo de limpiador, por ejemplo el limpiador de acrílicos Novus 1 para tanques de resina. Limpia los plásticos sin rayarlos y evita que se empañen, repele el polvo y elimina la carga estática. Es crucial para el éxito de las impresiones SLA porque la suciedad en el tanque de resina puede desviar el láser y dar lugar a impresiones fallidas.

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

La industria de la impresión 3D está a la altura de las necesidades de los sectores más exigentes, que requieren herramientas, materiales y tecnologías que garanticen no sólo un rendimiento superior, sino también versatilidad de usos y seguridad. Se pueden encontrar materiales con propiedades de seguridad ESD en la impresión FDM (filamentos y pellets antiestáticos), en la impresión SLA (resinas ESd) y en la SLS (polvos antiESD). La seguridad de las superficies de impresión también está cubierta gracias a las herramientas de mantenimiento y los accesorios de limpieza de las impresoras 3D con propiedades ESD.