Wegweisende Sicherheit durch ESD-sicheren 3D-Druck

Elektrostatische Entladungen, häufig als ESD abgekürzt, treten nahezu durchgängig in unserem Alltag auf. Wir Menschen spüren diese jedoch zumeist nicht, da diese von uns erst ab einer bestimmten Stärke, ca. ab 2.000 Volt, wahrgenommen werden kann.

Die häufigste Alltagssituation, in der wir elektrostatische Entladung zu spüren bekommen, ist wohl das einfache Anfassen eines Treppengeländers aus Metall. Da der menschliche Körper sehr schlecht darin ist, elektrische Ladung abzuleiten, baut sich über den Alltag statische Ladung auf, die sich dann bei Berührung eines leitfähigen Objekts schnell – und schmerzhaft – entlädt.

Für Komponenten sind elektrostatische Entladungen jedoch bereits bei einer weitaus geringeren Voltstärke gefährlich. Bereits ab 10 Volt kann eine elektrostatische Entladung Schaden an sensitiven Bauteilen anrichten und bei höheren Stärken kann es sogar zur Entzündung dieser Bauteile kommen.

Daher sind viele Industrien auf Materialien angewiesen, die eine elektrostatische Entladung vollständig verhindern. Traditionelle Herstellungsmethoden besitzen zwar eine Auswahl an ESD-sicheren Materialien, jedoch geht die Produktion von solchen Bauteilen mit diesen Methoden mit einigen Schwierigkeiten einher.

In den letzten Jahren hat sich die Auswahl an ESD-sicheren Materialien, die für den 3D-Druck konzipiert wurden, stark vervielfacht, weswegen immer mehr Unternehmen auf die Additive Fertigung ihrer Bauteile setzen. Dieser Blogpost soll dazu dienen, die Gründe für diesen Wandel zu erklären und aufzuzeigen, wie wir als 3D-Druck Dienstleister dafür sorgen, dass unsere Kunden ein Maximum an Sicherheit erhalten.

 

Was ist elektrostatische Entladung?

Mit dem Beispiel des Metalltreppengeländers habe ich zwar bereits einen kurzen und allseits bekannten Einblick in die Folgen der elektrostatischen Entladung gegeben, aber es bedarf etwas mehr Details, um das Konzept der elektrostatischen Entladung vollumfänglich zu umfassen.

Elektrostatischer Entladung geht selbstverständlich eine Aufladung voraus. Diese kann auf verschiedene Arten entstehen, bei elektrostatischen Entladungen ist der Verursacher jedoch zumeist Reibungselektrizität oder der triboelektrische Effekt. 

Beim Kontakt zwischen zwei verschiedenen Komponenten, werden Elektronen von einem der Materialien auf das andere Material übertragen, sofern die beiden Komponenten eine unterschiedliche Elektronenaffinität, auch als triboelektrische Reihe bekannt, besitzen. Dies ist zumeist bei Komponenten aus unterschiedlichen Materialien der Fall, kann aber auch bei Bauteilen aus denselben Materialien passieren. Das Bauteil, welches den Überschuss an Elektronen erhält, wird dadurch negativ aufgeladen, während das andere Bauteil positiv aufgeladen wird. 

Durch wiederholte Friktion oder Kontakt wird dieses Elektronenungleichgewicht und somit auch die statische Aufladung verstärkt. Luft kann diese Aufladung zwar langsam ableiten, insbesondere bei sehr trockener Luft ist dies nicht ausreichend, wodurch die Spannungsdifferenz nicht ausgeglichen werden kann. 

Überschreitet diese Spannungsdifferenz in der Luft den Betrag 3 MV/m, wird die Luft elektrisch leitend, wodurch die Elektronen unkontrolliert durch die Luft springen. Dieser Prozess wird auch als dielektrischer Durchschlag bezeichnet und ist der Prozess, der an der elektrostatischen Entladung Schuld trägt.

 

Welche Materialien sind anfällig für elektrostatische Entladung?

Grundsätzlich lassen sich Materialien dafür in drei verschiedene Arten einteilen – konduktive Materialien, isolierende Materialien und dissipative Materialien, wobei dissipative Materialien exakt die Materialien sind, die für ESD-Sicherheit sorgen. 

Konduktive Materialien besitzen einen sehr geringen Oberflächenwiderstand, in der Regel unter 10³ Ohm, wodurch sich die Elektronen frei über das Bauteil bewegen können und somit keine statische Aufladung zulassen. Beispiele für solche Materialien sind unter anderem viele Metalle. 

Werden ausschließlich solche Materialien genutzt, ist eine Gefahr von elektrostatischer Entladung nicht gegeben. Doch wie unser vorheriges Beispiel mit dem Treppengeländer zeigt, kann die Kombination von konduktiven mit isolierenden Materialien weiterhin zu elektrostatischen Entladungen führen, sofern die Elektroaffinität des isolierenden Materials höher ist als die des konduktiven Materials. Außerdem erhöhen konduktive Materialien die Gefahr von anderen elektrischen Gefahren, beispielsweise Kurzschlüsse. 

Isolierende Materialien sind das genaue Gegenteil zu konduktiven Materialien. Sie besitzen einen sehr hohen Oberflächenwiderstand, in der Regel über 10¹² Ohm, wodurch die Elektronen sich nicht frei über das Bauteil bewegen können und somit zu einer Aufladung führen können. 

In diese Kategorie fallen die allermeisten Kunststoffe sowie Glas und Keramik. Diese Kategorie besitzt die größte Gefahr für elektrostatische Entladungen. Auch bei nur kleinsten Unterschieden der Elektroaffinität zwischen einzelnen Komponenten kann sich bei Dauerbetrieb und trockener Luft genug Spannung auf den Bauteilen aufbauen, die schließlich in einem zerstörerischen Stoß entladen wird. 

Mit einem Oberflächenwiderstand zwischen 10⁶ und 10⁹ Ohm sind dissipative Materialien die „goldene Mitte“. Dies sorgt dafür, dass sich Elektronen zwar über das Bauteil bewegen können, jedoch weitaus kontrollierter als bei konduktiven Materialien, was den Schutz vor elektrostatischen Entladungen ideal ermöglicht. 

Materialien mit diesem Grad an Oberflächenwiderstand finden sich jedoch nicht in der Natur, weswegen diese speziell formuliert werden müssen. Dabei werden normalerweise Kunststoffe mit konduktiven Füllstoffen, beispielsweise Kohlenstofffasern, verbunden, um eine Symbiose aus dem hohen Oberflächenwiderstand des Kunststoffs und dem niedrigen Oberflächenwiderstand des Füllstoffs zu erreichen. 

Diese Materialeigenschaften finden sich inzwischen in einer Vielzahl von 3D-Druck-Materialien. Ob Resin, Filament oder Pulver, ESD-sichere Materialien finden sich inzwischen über alle Kunststoff-Drucktechnologien hinweg.

 

Vorteile des 3D-Drucks für ESD-sichere Bauteile 

Die Additive Fertigung für ESD-sichere Komponenten bietet vielzählige Vorteile, zu denen wir nun kommen und die Wichtigsten dieser einmal im Detail durchsprechen werden.

Designfreiheit
Einer der größten Vorteile, die der 3D-Druck innehat, ist die uneingeschränkte Designfreiheit. Ob komplexe Geometrien, feine Details oder innenliegende Strukturen, die Additive Fertigung bietet für die Elektronikindustrie zahllose Möglichkeiten, um Ideen und Designs umzusetzen. 

Diese Designfreiheit kommt dabei in einer Vielzahl von Anwendungen ideal zur Geltung. Ob Elektronikgehäuse mit integrierten Lüftungskanälen, Konnektoren mit individuellen Formen oder komplexe Baugruppen, die dank 3D-Druck als ein kontinuierliches Bauteil produziert werden – die Türen, welche durch die Additive Fertigung geöffnet werden, sind einzigartig. 

Verringerte Vorlaufzeiten
Die Elektronikindustrie ist, verglichen mit anderen Industriezweigen, ein relativ volatiler Markt. Durch stetige Zunahme der Produktkomplexität und häufigen Schwankungen in der Angebots-Nachfrage-Relation können Auftragsbücher rasch von leer zu überfüllt wechseln, was Produzenten mit herkömmlichen Fertigungsprozessen vor große Herausforderungen stellt. 

Dank Einsatz der Additiven Fertigung sind diese Herausforderungen jedoch hinfällig. Es müssen keine Wechselzeiten beachtet, keine Werkzeuge bereitgestellt und keine großflächigen Produktionsumstellungen eingeplant werden. Sobald das digitale Modell vorhanden ist, muss nur das passende Material im Drucker sein und schon kann auf Knopfdruck die Produktion gestartet werden, wodurch auch kurzfristige Änderungen im Design oder Produktionsvolumen einfach bewältigt werden können. 

Kosteneffizienz
Wie in jeder anderen Industrie ist das Thema Produktionskosten auch für die Elektronikindustrie von höchster Bedeutung. Durch die besonderen Materialeigenschaften, die für die Produktion von Elektronikkomponenten benötigt werden, spielt insbesondere der Ausschuss eine große Rolle, da die Materialien im höherpreisigen Segment anzusiedeln sind. 

Während herkömmliche Produktionsmethoden Ausschussraten von bis zu 90 % erreichen können, wird bei der Additiven Fertigung nur das Material verwendet, welches zwingend nötig ist. Die Ausschussrate beim 3D-Druck beträgt durchschnittlich nur 3 bis 5 %, einschließlich der erforderlichen Supportstrukturen. Dadurch können insbesondere bei Serienproduktionen massiv Kosten eingespart werden, aber auch die Einzelherstellung profitiert durch einen verringerten Arbeitsaufwand von geringeren Produktionskosten. 

Rapid Prototyping
Der 3D-Druck, der zwar inhärent mit verkürzten Vorlaufzeiten verbunden ist, aber aufgrund der Bedeutung umfassender Prototypingprozesse in der Elektronikindustrie dennoch einen eigenen Abschnitt verdient, bietet die ideale Möglichkeit, klassisches Prototyping in Rapid Prototyping zu transformieren. 

Die Additive Fertigung ermöglicht es, Iterationszyklen um ein Vielfaches zu verkürzen. Dadurch lassen sich alle Produktaspekte – ob Design, Funktionalität oder Sicherheit – umfassender testen, was letztlich zu ausgereifteren Endprodukten führt. 

Unsere Möglichkeiten für ESD-sichere Bauteile
Als einer der größten 3D-Druck-Dienstleister Europas haben wir uns insbesondere der Elektronikindustrie verschrieben, um die vorhergegangenen Vorteile dieser Industrie vollumfänglich zur Verfügung zu stellen, ohne das Unternehmen große Anschaffungskosten stemmen müssen. 

Neben unseren großen Kapazitäten an 3D-Druckanlagen, mit denen wir verschiedenste Anforderungen und Produktionsvolumina – von Einzelstück bis Großserie – abdecken können, stehen bei uns vor allem die Materialien im Fokus, mit denen wir bestmögliche ESD-Sicherheit garantieren können. 

Aus diesem Grund haben wir vergangenen Monat eine exklusive Partnerschaft mit dem Materialhersteller Mechnano, der für seine außergewöhnliche D’Func-Technologie bekannt ist. Durch diese Technologie wird die Dispersion der funktionalisierten Kohlenstoffröhrchen enorm verbessert, wodurch nicht nur eine verbesserte Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit erreicht wird, sondern auch die Uniformität der mechanischen Eigenschaften über das gesamte Bauteil sichergestellt wird. 

Durch diese Partnerschaft können wir unseren Kunden und Partnern exklusiv das außergewöhnliche Formula1B-Resin von Mechnano für ihre Projekte anbieten. Dieses Material besticht mit einem isotropen Oberflächenwiderstand von 10⁷ Ohm und zusätzlich einer exzellenten Beständigkeit gegen Chemikalien sowie einer herausragenden Oberflächengüte und Detailfeinheit. 

Wenn Sie mehr über die Möglichkeiten des 3D-Drucks, unser Dienstleistungsportfolio oder die Materialien von Mechnano für die Elektronikindustrie herausfinden möchten, können Sie unsere Experten auf der Rapid.Tech 3D 2025 am Stand 2-109 antreffen. Wir beraten Sie gerne rund um die beste Herangehensweise für den Wechsel zur Additiven Fertigung!