Técnicas Avançadas de Impressão 3D para Produtos Seguros contra Descargas Eletrostáticas (ESD)

A descarga eletrostática é um fenómeno comum na natureza. Pode ser provocada por um curto-circuito elétrico, uma rutura dielétrica, ou quando ocorre contacto entre dois objetos eletricamente carregados (eletricidade estática), resultando num fluxo súbito e curto de corrente elétrica. A ESD é comumente gerada de duas formas. Uma delas é a triboeletrificação, que ocorre quando dois materiais se unem e depois se separam, resultando numa diferença de potencial elétrico. A outra razão para ocorrerem eventos ESD é a indução eletrostática. Ocorre quando um objeto eletricamente carregado está perto de um objeto condutor não em contacto com o solo.

Vídeo 1. Riscos de descarga eletrostática na aviação. Fonte: Aircraft Science.

Todos já experienciaram um evento ESD em algum momento das suas vidas. Existem numerosos exemplos quotidianos de ESD, incluindo raios, eletricidade estática no cabelo causada por roupas de nylon/lã, pente de plástico ou escorrega, esferovite a colar-se à pele, o pó a acumular-se no ecrã da TV segundos após ser limpo, a famosa "faísca" ou "choque" ao tocar numa maçaneta ou noutra pessoa.

Riscos associados à ESD

Eventos ESD são na sua maioria inofensivos, embora irritantes, para humanos. A eletricidade estática pode também ser um fenómeno muito útil. Tecnologias baseadas em eletricidade estática são usadas em fotocopiadoras, precipitadores eletrostáticos em purificadores de ar, pintura eletrostática por pulverização, ou folhas/bolas de secador. No entanto, em certos contextos, a ESD pode ser muito perigosa e ter consequências graves, especialmente na indústria de fabrico ou de alto risco.

Imagem 1. As graves consequências de um evento ESD numa motherboard. Fonte: Techno FAQ.

A ESD é muito ameaçadora para eletrónica sensível, especialmente circuitos integrados e microchips. Podem ser permanentemente danificados (dano catastrófico ou latente) quando uma corrente de alta tensão passa através deles. Isto pode acontecer de três formas:

1. HBM (Modelo Corpo Humano) - o corpo humano transfere uma carga eletrostática para um dispositivo.
2. MM (Modelo Máquina) - um objeto condutor carregado, como uma ferramenta ou fixação metálica, transfere uma carga eletrostática.
3. CDM (Modelo Dispositivo Carregado) - ocorre quando uma carga eletrostática é transferida através de embalagem ou superfície de trabalho.

A descarga eletrostática é também extremamente perigosa em ambientes com atmosferas potencialmente explosivas, como espaços contendo gás, vapor de combustível, pó de carvão ou até pó de farinha.

Prevenção de ESD

A prevenção de ESD é de extrema importância em pisos de fabrico, centros de expedição, ou em espaços com atmosferas inflamáveis e explosivas.

Imagem 2. Um espaço de trabalho seguro contra ESD. Fonte: Safety Working TECH.

Existem muitos materiais antiestáticos, substâncias e dispositivos elaborados e fabricados especialmente para o propósito de proteger pessoas e dispositivos das consequências da descarga eletrostática. Soluções de proteção ESD incluem:

• Agentes químicos.
• Aterramento elétrico.
• Roupa ESD, pulseiras antiestáticas, gabaritos e fixações ESD.
• Sacos antiestáticos para armazenamento e envio de eletrónica.
• Barras ionizantes em linhas de produção.
• Mobiliário de escritório ESD.
• Salas limpas desenhadas para manter pó, organismos transportados pelo ar ou partículas vaporizadas fora, e impedir vírus, substâncias nocivas ou radiação de saírem.
• Sistemas antiestáticos de máquinas usando emissão de eletrões ou fotoemissão para reduzir ESD.

Uma segurança ESD adequada não só pode proteger avarias de dispositivos, mas também reduzir perdas financeiras relacionadas com falhas e até salvar vidas.

Segurança ESD na impressão 3D

Métodos de produção subtrativos, como injeção de moldes e maquinação CNC, existem há muito tempo e são ótimos para produção em grande escala de ferramentas padronizadas. Mas quando se trata de produzir pequenas quantidades de ferramentas, gabaritos ou fixações altamente personalizadas, a fabricação aditiva é a melhor opção. O design e fabrico de moldes demora muito tempo e não compensa para produzir pequenas quantidades de ferramentas e fixações personalizadas. Além disso, plásticos avançados usados em maquinação CNC são muito caros e frequentemente desperdiçados durante o processo de maquinação. Usar impressão 3D para fabricar ferramentas especializadas personalizadas, gabaritos e fixações internamente e sob pedido é um passo em frente para muitas empresas, pois tem muitas vantagens. Se o material adequado for usado, uma versão impressa em 3D de uma ferramenta ou fixação tradicional pode ser mais forte, mais resistente à corrosão, mais leve, e muito mais barata e rápida de fabricar internamente do que através de contratantes externos por injeção de moldes ou maquinação CNC. Tudo isto concede aos fabricantes maior flexibilidade e a possibilidade de personalizar os processos de trabalho com base nas necessidades da empresa. A impressão 3D demora menos tempo, é mais acessível, e elimina desperdício de material pois só o necessário vai ser impresso.

Vídeo 2. Caso de sucesso - Mercury Systems começa a imprimir ferramentas e fixações ESD safe em 3D. Fonte: Essentium.

A segurança ESD não é exceção, já que a impressão 3D - a disciplina de rápida adaptação que é - já tem uma solução bem testada e fiável para fabricar ferramentas, gabaritos e fixações antiestáticas. Materiais ESD safe na impressão 3D podem vir de muitas formas. Existem filamentos antiestáticos, pelotas, resinas e pós.

Filamentos

Filamentos ESD safe usam várias tecnologias para alcançar propriedades antiestáticas, as mais comuns sendo carregamentos de negro de carbono ou grafite. A quantidade de carregamento de carbono no polímero determina o nível de resistividade de superfície (medido em Ohms) - eletricamente condutor, dissipativo ou isolante. Outra forma de tornar um material antiestático é adicionar revestimentos antiestáticos ou, como é o caso da Essentium, uma camada superficial de nanopolímeros condutivos para reduzir o risco de degradação de desempenho comumente visto com carregamentos ou revestimentos ESD.

Imagem 3. Caixa de disco rígido (esquerda) e medidor de condutividade impressos em 3D com filamento Zortrax-Z ESD V2 à base de PET. Fonte: Zortrax.

Quase todos os polímeros comumente usados em impressão 3D têm uma opção ESD safe. Existem plásticos standard antiestáticos (ABS, PLA) e plásticos de engenharia (PA, PET, PCTG), bem como plásticos antiestáticos desenhados para aplicações avançadas (PEKK, TPU).

Imagem 4: Caixas de eletrónica seguras impressas com ESD PLA da 3DXTech (esquerda) e ESD ABS da Nanovia (direita). Fonte: Filament2Print.

Existem filamentos antiestáticos desenhados para setores específicos, como o Essentium TPU 58D-AS da família de filamentos avançados flexíveis.

Imagem 5. Etiquetas impressas em 3D com TPU 58D-AS. Fonte: Essentium.

Além de aplicações na indústria aeroespacial, este filamento pode ser usado para imprimir em 3D capas de painel resistentes à abrasão, caixas de armazenamento ESD-safe ou tampas de pó ESD-safe. Pó e outras partículas tendem a acumular eletricidade estática e provocar falhas de sistema em muitas fábricas de eletrónica.

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

Resinas e pós

Existem também opções não-filamento para impressão 3D ESD safe objetos, como resinas para impressão 3D SLA, e pós para impressão 3D SLS. Todos têm excelentes propriedades, dependendo do plástico e aplicações pretendidas - desde indústria automóvel e instrumentação científico-técnica a eletrónica de consumo.

Imagem 6. Caixas impressas em 3D com PA11 ESD pela Sinterit. Fonte: Sinterit.

Resinas e pós ESD-safe são bons para imprimir em 3D ferramentas, gabaritos e fixações antiestáticas para produção, montagem e teste de componentes eletrónicos, bem como para produção de componentes para uso em atmosferas explosivas. Alguns materiais ESD-safe até têm propriedades repelentes de pó. Como mencionado antes, pó e outras partículas tendem a acumular eletricidade estática e aumentar o risco de eventos ESD. Como a maioria dos plásticos atrai pó e sujidade, usar uma opção ESD-safe é muito mais seguro em ambientes sensíveis a ESD.

Imagem 7. Ferramentas e fixações impressas com resina ESD repelente de pó da Formlabs. Fonte: Formlabs.

Um desses materiais é a resina ESD da Formlabs, que pode ser usada para imprimir em 3D ferramentas e fixações para até as condições de fabrico mais exigentes.

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

Acessórios ESD

A segurança ESD no mundo da impressão 3D não se limita apenas a filamentos, resinas e pós de impressão. Existem também vários agentes de limpeza e acessórios que garantem segurança ESD durante o processo de impressão ou manutenção da impressora 3D. As pinças de precisão ESD da Lawang são úteis quando se trata de remover peças da base de construção, limpar material do bico, remover suportes ou manutenção da impressora. Para minimizar o risco de um evento ESD que possa danificar a eletrónica da impressora 3D, recomenda-se usar pinças de precisão ESD safe.

Imagem 8. Pinças de precisão ESD-safe da Lawang. Fonte: Filament2Print.

Outra precaução a tomar no momento da impressão 3D é garantir que a superfície de impressão está livre de pó, partículas e eletricidade estática. Uma forma de garantir isso é usar um limpador de algum tipo, por exemplo o Novus 1 limpador acrílico para tanques de resina. Ele limpa plásticos sem os riscar e previne embaciamento, repele pó e elimina carga estática. É crucial para impressões SLA bem-sucedidas porque sujidade no tanque de resina pode desviar o laser e resultar em falhas de impressão.

Imagem 9. Limpador acrílico Novus 1 para tanques de resina, elimina pó, sujidade e carga estática. Fonte: Formlabs.

A indústria de impressão 3D está à altura de satisfazer as necessidades das indústrias mais exigentes que requerem ferramentas, materiais e tecnologias que possam garantir não só desempenho superior mas também versatilidade de usos e segurança. Materiais com propriedades ESD-safe podem ser encontrados em impressão FDM (filamentos e pelotas antiestáticas), impressão SLA (resinas ESD), e SLS (pós anti-ESD). A segurança das superfícies de impressão também é coberta graças a ferramentas de manutenção de impressora 3D ESD-safe e acessórios de limpeza.