Use-Case Günstiger, reproduzierbar und ESD-sicher – ein Isolator aus dem 3D-Drucker

Autor / Redakteur: Andrea Gasperini, Andrea Ciappi, Stephane Cauliez, Adrian Heinrich und Dirk Olbert* / Stefan Guggenberger

Wie ein ESD-sicherer Isolator in mittleren Stückzahlen 3D-gedruckt werden kann, zeigt ein Use-Case der Hänssler Group. Dabei konnte der Hersteller die Kosten im Vergleich zur herkömmlichen Frästechnik um 60 Prozent senken.

Trotz längerer Fertigungsdauer überwiegen die Vorteile des 3D-Drucks bei 300 Einheiten pro Jahr. Neben den geringeren Kosten pro Teil wird auch der Materialabfall deutlich reduziert.
Trotz längerer Fertigungsdauer überwiegen die Vorteile des 3D-Drucks bei 300 Einheiten pro Jahr. Neben den geringeren Kosten pro Teil wird auch der Materialabfall deutlich reduziert.
(Bild: Ultimaker)

Vor elektrostatischen Entladungen (ESD) geschützte Teile werden aus elektrisch ableitenden Materialien hergestellt, die es ermöglichen, dass Ladungen, die während des normalen Betriebs auf der Oberfläche eines Teils entstehen, durch die Oberfläche abfließen und sich nicht weiter ansammeln. Diese inhärente Materialeigenschaft verringert das Risiko der Entstehung elektrischer Entladungen zwischen getrennten Bauteilen drastisch, nachdem diese zuvor aneinander gerieben wurden. Diese Situation kann bekanntermaßen zu Kurzschlüssen, Schäden oder sogar Explosionen führen. ESD-Teile werden größtenteils sowohl als Fertigungshilfsmittel als auch als zusätzliche Endteile in Mehrkomponenten-Baugruppen für die Elektro- und Elektronik- (E&E) und die Automobilindustrie verwendet.

Abbildung 1: Oberflächenwiderstandsskala gemäß ASTM D257 auf 3D-gedruckten Scheiben mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Dicke von 2 mm.
Abbildung 1: Oberflächenwiderstandsskala gemäß ASTM D257 auf 3D-gedruckten Scheiben mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Dicke von 2 mm.
(Bild: Ultimaker)

Thermoplaste sind die am häufigsten verwendete Materialkategorie zur Herstellung von ESD-sicheren Teilen, nicht nur in der additiven Fertigung, sondern auch auf traditionellere Weise durch subtraktive Techniken und Spritzguss. Thermoplastische Werkstoffe sind von Natur aus Isolatoren, da ihr elektrischer Oberflächenwiderstand über 1012 Ohm/m2 liegt. Um eine ESD-Funktionalität zu erreichen, werden reine Thermoplaste mit einer ausreichend geringen Menge an elektrisch leitfähigen Füllstoffen wie Ruß, Kohlenstofffasern und auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen compoundiert. Diese Füllstoffe ermöglichen zum einen eine gleichmäßige Verteilung der Ladungen auf der Oberfläche und verhindern zum anderen eine übermäßige Anhäufung und ein Fließen innerhalb der hochleitfähigen Perkolationsbahn, die das Teil zu elektrisch leitfähig machen würde. Aus diesem Grund wird die Herstellung von ESD-sicheren Filamenten durch die Steuerung der Füllstoffbeladung, des Dispersionsverhaltens und des spezifischen elektrischen Widerstands so optimiert, dass der spezifische Oberflächenwiderstand in einem präzisen Bereich von 106 Ohm/m2 bis 109 Ohm/m2 liegt, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Das Isolatorgehäuse besteht aus zwei Komponenten und muss Temperaturen über 90°C im Betrieb aushalten.
Das Isolatorgehäuse besteht aus zwei Komponenten und muss Temperaturen über 90°C im Betrieb aushalten.
(Bild: Ultimaker)

Um sicherzustellen, dass diese Werte des elektrischen Widerstands auch im endgültigen 3D-Volumen unter Betriebsbedingungen beibehalten werden, muss ein geeignetes ESD-sicheres Material auch angemessene und stabile mechanische Eigenschaften und eine Oberflächentopologie aufweisen, um Änderungen der Dynamik der Oberflächenableitung von Ladungen zu verhindern. Genauer gesagt muss ein Teil auch in der Lage sein, während seiner Lebensdauer akzeptablen Belastungen, Stößen und Temperaturänderungen standzuhalten. Diese Versagensarten würden nicht nur die Struktur schwächen, sondern vor allem die Fähigkeit zur Ladungsableitung einschränken und unerwünschte Akkumulationspunkte an scharfen Merkmalen und entlang der neu geschaffenen Oberflächen schaffen. Letztendlich sollte ein optimaler Werkstoff auch eine reproduzierbare und homogene Verteilung des leitfähigen Füllstoffs im Inneren des Bauteils gewährleisten, um die Bildung von Perkolationspfaden oder vollständig isolierenden Bereichen sowohl während der Verarbeitung des Bauteils als auch während seiner Lebensdauer zu verhindern.

Hohe Anforderungen an ESD-sichere Filamente

Tabelle 1: Elektrische und mechanische Eigenschaften der gedruckten Kimya ABS-ESD-Proben.
Tabelle 1: Elektrische und mechanische Eigenschaften der gedruckten Kimya ABS-ESD-Proben.
(Bild: Ultimaker)

Eines der technischen Materialien, das diese Anforderungen nachweislich erfüllt und gleichzeitig auf Desktop-Druckern wie dem Ultimaker S5 verarbeitet werden kann, ist das Kimya ABS-ESD-Filament. Die ABS-Matrix, auf der das Filament basiert, gewährleistet eine angemessene Schlagzähigkeit (Charpy, 10,9 KJ/m2) und Hitzebeständigkeit (bis zu 90 °C) in Kombination mit den typischen Zugmodul- und Festigkeitswerten von reinem ABS (siehe Tabelle 1).

Abbildung 1b: A) Prozessfähigkeit für die X-Richtung des Fadens und B) Prozessfähigkeit für die Y-Richtung des Fadens. Die Berechnungen basieren auf dem Weibull-Verteilungsmodell.
Abbildung 1b: A) Prozessfähigkeit für die X-Richtung des Fadens und B) Prozessfähigkeit für die Y-Richtung des Fadens. Die Berechnungen basieren auf dem Weibull-Verteilungsmodell.
(Bild: Ultimaker)

Wie bereits von der Kimya Gruppe berichtet, ermöglichen die geschützten Füllstoffe und die Compoundierungstechnologie von Kimya ABS-ESD eine Stabilisierung der ESD-Leistung bei einem Nennwert von 10^6 Ohm/m2 für die folgenden 11 Monate nach der Compoundierung. Interessanterweise ist der Filamentdurchmesser ein weiteres Merkmal, von dem bekannt ist, dass es einen bemerkenswerten Einfluss auf die Reproduzierbarkeit des ESD-Verhaltens hat. Die geringe Streuung von 2,84 mm ± 0,0062 mm (99,999936 % Konfidenzintervall) im Filamentdurchmesser von Kimya ABS-ESD, wie in Abbildung 1b dargestellt, ermöglicht es, einwandfreie Extrusionsvolumina und gleich hohe Schichten vor der Schmelzeverfestigung aufrechtzuerhalten. Daher ist die Kontrolle des Filamentdurchmessers bei der Verarbeitung von ESD-basierten Materialien von noch größerer Bedeutung, da unregelmäßige Oberflächentopologien und Unterextrusionseffekte einen effizienten und homogenen Ladungstransport auf der gesamten Oberfläche des 3D-Druckteils stark beeinträchtigen können.

Isolatorgehäuse mit reproduzierbaren Eigenschaften

Kimya ABS-ESD Filament wurde von der Hänssler Gruppe als Material für die Herstellung von 300 Einheiten pro Jahr einer Zwei-Komponenten-Baugruppe ausgewählt. Die Baugruppe muss nicht nur während der Lebensdauer der Maschine mehrmals leicht aus- und wieder eingebaut werden können, sondern auch antielektrostatisches Verhalten und Temperaturen über 90°C im Betrieb aushalten.

Während eine angemessene Hitzebeständigkeit bei amorphen Thermoplasten durch die spezifische Glasübergangstemperatur des Kimya ABS-Typs (Tg = 90-100 °C) bestimmt wird, sind die ESD-Leistung und die Dimensionsstabilität des gedruckten Teils stark von den Druckparametern und der Hardware abhängig. In der Tat haben sich ABS-ESD-optimierte Druckprofile in Kombination mit einem ordnungsgemäß kalibrierten 3D-Drucker als wichtige Erfolgsfaktoren erwiesen, um Teile zu erhalten, die sowohl akzeptable Toleranzgrenzen einhalten als auch geringe Maßabweichungen von Charge zu Charge aufweisen.

Abbildung 3: 3D-Modell des Haenssler-Isolatorteils (links), statische Analyse der sechs repräsentativsten Abmessungen des Modells für alle 10 ausgewählten Proben. Jede Zielabmessung ist durch eine rote gepunktete Linie hervorgehoben (rechts).
Abbildung 3: 3D-Modell des Haenssler-Isolatorteils (links), statische Analyse der sechs repräsentativsten Abmessungen des Modells für alle 10 ausgewählten Proben. Jede Zielabmessung ist durch eine rote gepunktete Linie hervorgehoben (rechts).
(Bild: Ultimaker)

Von den 300 Einheiten, die die Hänssler Group jährlich herstellt, wurde eine Gruppe von 10 Exemplaren, die auf mehreren Ultimaker S5 gedruckt wurden, ausgewählt, um eine manuelle Dimensionsanalyse mit Hilfe einer Schieblehre der repräsentativsten Merkmale durchzuführen. Die in Abbildung 3 dargestellten Diagramme zeigen eine minimale Abweichung (unter ± 0,2 mm) von den Zielmaßen A, B, C, E und F und eine vorhersehbare Abweichung von -0,3 mm vom Zielwert von 8 mm für das Maß D. Insgesamt wiesen alle Proben ein gutes Maß an Präzision und Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge auf.

Die Oberflächenqualität ist von entscheidender Bedeutung

Wie bereits erwähnt, wird die ESD-Leistung in hohem Maße durch das Vorhandensein von Oberflächendefekten beeinflusst, die unweigerlich die Ableitung von Ladungen über die gesamte zugängliche Oberfläche verändern würden. Um die Oberflächenqualität des gesamten gedruckten Objekts umfassend zu bewerten, wurde eine hochauflösende 3D-Scan-Analyse für eine ausgewählte Anzahl von gedruckten Teilen mit dem Gom Atos Core 3D-Scanner durchgeführt. Abbildung 4 zeigt einen Farbkarten-Oberflächenvergleich zwischen der CAD-Datei und den aus dem Scannen des Objekts resultierenden Punktwolkendaten. Die Farbkarte zeigt die relativen Abweichungen zwischen dem idealen Modell (CAD) und dem tatsächlich gescannten Teil (Cloud-Punkte, die beim Scannen des physischen Objekts erhalten wurden). Die beiden Datensätze wurden relativ zueinander ausgerichtet, indem die Gesamtsumme des quadratischen Abstands jedes Punktpaars minimiert wurde (minimaler quadratischer Fehler).

Abbildung 4: Pass/No-Pass-Analyse durch 3D-Scannen des Hänssler-Isolatorteils für den Toleranzbereich ± 0,3 mm.
Abbildung 4: Pass/No-Pass-Analyse durch 3D-Scannen des Hänssler-Isolatorteils für den Toleranzbereich ± 0,3 mm.
(Bild: Ultimaker)

Die durch einen Pass/No-Pass-Filter mit einem Schwellenwert von 0,3 mm erzeugte Farbkarte ist in Abbildung 4 dargestellt. Um die Farben visuell mit den Abweichungen der Oberflächenpunkte zu korrelieren, wurden die Farben Grün und Gelb gewählt, um Punkte anzuzeigen, die noch innerhalb des zugewiesenen Schwellenwerts liegen, während rote Punkte auf der Oberfläche dies nicht tun. Aus der erstellten Farbkarte in Abbildung 4 ist ersichtlich, dass fast 95 % der Oberfläche der gescannten Probe innerhalb des Toleranzbereichs von ± 0,3 mm liegen. Rot markierte Bereiche, die zufällig entlang der Z-Richtung des zylindrischen Bereichs verteilt sind, stammen von submillimetrischen Rückständen (Blips mit einer Größe von > 0,3 mm), die aus dem gedruckten Teil herausragen. Eine minimale Nachbearbeitung mit Schleifpapier P240 reichte aus, um Oberflächendefekte zu beseitigen und potenzielle Akkumulationspunkte für elektrische Ladungen zu eliminieren. Stattdessen stimmt der außerhalb der Toleranz liegende Bereich (rot) an der Basis des Objekts in der Vorderansicht gut mit der größeren, aber konstanten Abweichung von -0,3 mm vom Maß D überein, die bei allen geprüften Proben festgestellt wurde und in Abbildung 3 dargestellt ist.

Maßgenauigkeit kann noch weiter verbessert werden

Eine weitere Bestätigung für die Unversehrtheit des Teils ergibt sich aus dem völligen Fehlen getrennter Schichten selbst im Hundertstel-Mikrometer-Bereich. Es ist bekannt, dass diese schwerwiegenden Defekte entstehen, wenn Teile mit einer großen Höhe über der Breite (H/W) durch schichtweises Auftragen von thermoplastischen Werkstoffen hergestellt werden, da die Glasübergangstemperatur viel höher ist als die Umgebungstemperatur (Tg >> Tchamber ). Dieses Ergebnis unterstreicht die Bedeutung und die Vorteile der Verwendung eines speziell entwickelten ABS-Typs wie Kimya ABS-ESD, der auch ohne eine aktive Heizkammer über 90 °C funktioniert.

Auch wenn die Toleranzen für die untersuchten Merkmale akzeptabel waren, kann die Maßgenauigkeit weiter erhöht werden, indem die bei der statistischen Analyse ermittelten Maßabweichungen genutzt werden, um das 3D-Modell vor dem Schneiden mit Ultimaker CURA entsprechend anzupassen. Abschließend lässt sich jedoch sagen, dass eine regelmäßige Wartung jedes Druckers und eine ordnungsgemäße Kalibrierung vor Beginn des Druckvorgangs immer noch häufig übersehen wird, da dies ein wichtiger Schritt ist, um enge Toleranzen bei 3D-Druckteilen zu reproduzieren und einen erfolgreichen und reproduzierbaren Druckprozess auch für ESD-Teile zu gewährleisten.

Form [Your] Next Mission: Web-Konferenz am 19.10.2021, um 10 Uhr

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3D-Druck senkt Kosten um 60 Prozent

Wie die Topografie- und Dimensionsanalyse ergab, ermöglichte die Verarbeitbarkeit von Kimya ABS-ESD auf dem Ultimaker S5-Drucker in Kombination mit seinem kontrollierten ESD-Verhalten Hänssler die Validierung des 3D-Drucks als Herstellungsverfahren für die Produktion von Isolatorkomponenten in mittleren Stückzahlen. Durch das Insourcing der Freiform-Fertigung (FFF) auf Ultimaker-Druckern und Kimya ABS-ESD für die Produktion von 300 Einheiten pro Jahr konnte die Hänssler Group eine Reduzierung des Materialabfalls um 80 Prozent und der Kosten pro Teil um 60 Prozent im Vergleich zur herkömmlichen Frästechnik verzeichnen. Interessanterweise waren die Vorteile, die sich aus der Produktion von 300 Teilen/Jahr in vielen kleinen Losen ergaben, so groß, dass sie die Verdoppelung der Fertigungszeit durch das additive Verfahren ausglichen. Wie das Beispiel der Hänssler-Gruppe zeigt, ist eine schnellere Validierung der endgültigen Teileigenschaften zu einem der wichtigsten Erfolgsfaktoren geworden, um auf die sich ständig ändernden Marktanforderungen reagieren zu können. In diesem aktuellen Trend stellt der 3D-Druck auf erschwinglichen und zuverlässigen Druckern in Kombination mit hochwertigen und hardwarevalidierten Materialien eindeutig eine immer konkretere Lösung zur Steigerung der Produktivität und zur Verkürzung der Markteinführungszeit von Produkten (oder Dienstleistungen) dar.

* Andrea Gasperini (Ultimaker), Andrea Ciappi (Ultimaker), Stephane Cauliez (Kimya Group), Adrian Heinrich (Hänssler Group), Dirk Olbert (Haenssler Group)

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