ไฟฟ้าสถิตย์ หรือมีตัวย่อว่า ESD คือการเกิดความเสียหายอย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นแล้วแฝงอยู่ในตัวอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจาก ESD อาจจะไม่ได้เกิดขึ้นแล้วเห็นผลในทันที แต่เป็นความเสียหายที่แฝงอยู่แล้วทำให้อุปกรณ์นั้นยังคงทำงานได้ตามปกติ เมื่ออยู่ที่โรงงานของผู้ผลิตแต่จะเกิดความบกพร่องหลังจากนั้นเมื่อส่งถึงมือผู้ใช้ปลายทาง (End-users) และใช้งานไปได้สักระยะหนึ่งซึ่งรวมถึงการผลิตโดยใช้เทคโนโลยี 3D Printing ที่ใช้วัสดุหลักเป็นพลาสติกจึงตระหนักถึงผลเสียที่ตามของ ESD โดยมีการป้องกันปัญหานี้ด้วยการผลิต ESD Safe Filament เพื่อลดสาเหตุที่ต้นตอ และให้หลายบริษัทสามารถลดการลงทุนอย่างมากในพื้นที่ที่สำคัญดังกล่าวที่จะป้องกันชิ้นส่วนที่ไวต่อไฟฟ้าสถิต
มารู้จักกับ ESD กันก่อน
Electrostatic Discharge หรือ ESD เป็นประจุไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นจากความไม่สมดุลย์ของอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของวัสดุ มีการถ่ายประจุระหว่างวัสดุหรือชิ้นส่วนของวัสดุที่มีศักดิ์ไฟฟ้าต่างกัน ซึ่งความไม่สมดุลย์ของอิเล็กตรอน ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่สามารถวัดได้บนวัสดุมีหน่วยเป็น โวลต์เตจ (voltage) หรือเรียกทั่วไปว่า โวลต์ และสนามไฟฟ้าก็จะมีผลหรือมีอิทธิพลต่อวัสดุที่อยู่รอบๆ เกิดการสะสมประจุบนพื้นผิวของชิ้นงาน ประจุที่เกิดขึ้นนี้อาจจะเกิดจากกระบวนการเสียดสีระหว่างวัสดุ (Triboelectric effect) เมื่อเกิดกระบวนการที่วัสดุสัมผัสและแยกออกจากกัน ทำให้อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนย้ายถ่ายเทประจุ ทั้งนี้ขึ้นกับขนาดของพี้นที่สัมผัส ความเร็วของการแยกออกจากกัน ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative humidity) องค์ประกอบอื่นๆ และปัจจัยร่วมอีกหลายอย่าง
อีกปัจจัยหนึ่งก็คือ ความร้อนจาก ESD ซึ่งเป็นภัยคุกคามที่ไม่ควรมองข้ามสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า หากเกิดเหตุการณ์ ESD อาจทำให้เกิดความเสียหายทันทีหรือเกิดความล่าช้าได้ ความเสียหายที่ล่าช้าที่พบมักเรียกว่าเป็น “ข้อบกพร่องแฝง” สิ่งนี้อาจทำให้อุปกรณ์ทำงานผิดปกติได้ทุกช่วงอายุ ตัวอย่างเช่น การชาร์จเพียง 30 โวลต์ ก็เพียงพอที่จะสร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าที่บอบบางที่สุด อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบส่วนใหญ่มีความเสี่ยงจากประจุที่ 100 – 200 โวลต์
ความเสี่ยงของการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตที่ไม่ต้องการนั้นมีตั้งแต่ระดับอันตรายน้อยไปจนถึงร้ายแรง หรืออาจเสียชีวิตได้ เช่น ในกรณีของการเกิดประกายไฟที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งก่อให้เกิดการระเบิดในสภาพแวดล้อมที่ติดไฟได้ง่ายกว่าทั่วไปเช่นเดียวกับการโดนไฟฟ้าช็อตนั่นเอง
ป้องกันการเกิด ESD ได้ไหม
การกำจัดหรือการป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าสถิตอาจทำได้ง่ายๆ ด้วยการทำให้เป็นกลาง (Neutralisation) เพียงแค่เปิดหน้าต่างหรือใช้เครื่องทำความชื้น (humidifier) เพื่อเพิ่มความชิ้นของอากาศ ทำให้อากาศเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น เครื่องสร้างไอออนจากอากาศ (air ionizer) การต่อสายดิน (Grounding) การปกป้อง (Protection) โดยการแยกชิ้นส่วนอิเล็คทรอนิกส์จากการทําให้วัตถุมีประจุไฟฟ้า ขอบเขต และการเคลื่อนย้ายฉนวน ทำให้ไฟฟ้าสถิตนั้นไม่สามารถเจาะวัสดุประเภทตัวนำไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม การใช้สิ่งป้องกัน (Preventive) น่าจะเป็นการแก้ปัญหาที่ดีที่สุดต่อปัญหา ESD คือ การป้องกันและมีเพียงตัวเองเท่านั้นที่สามารถป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์เช่นนี้ ผู้รับผิดชอบควรจะตระหนักถึงเหตุการณ์ ESD ที่อาจเกิดขึ้น และเข้าใจการประยุกต์ใช้ ESD อย่างถูกต้องในพื้นที่ที่ไวต่อผลกระทบสิ่งแวดล้อม ซึ่งรวมถึงการเลือกใช้วัสดุที่สามารถป้องการเกิด ESD ก็ได้เหมือนกัน
ความปลอดภัยในเรื่องต้านไฟฟ้าสถิตถูกให้ความสำคัญและนำมาใช้มากขึ้น เพื่อป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าที่มาจากการสัมผัสกับพื้น โดยวิธีป้องกันได้แก่ การใส่รองเท้า ซึ่งรองเท้าเหล่านี้จะมีพื้นรองเท้าที่มีการนำไฟฟ้าที่ดี รองเท้าต้านไฟฟ้าสถิตนั้นไม่ใช่รองเท้าที่เป็นฉนวน ซึ่งจะให้ผลตรงกันข้าม คือ ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตได้ง่ายและมีปริมาณมาก เพราะรองเท้าฉนวนใช้ป้องกันไฟฟ้าช็อกอย่างรุนแรงจากไฟฟ้าสายเมนเท่านั้น
การประยุกต์ใช้งานจากวัสดุ ESD
ESD มักจะนำมาประยุกต์ใช้งานในรูปแบบของสารตัวเติม เพื่อให้มีคุณสมบัติด้าน Electrical Property และให้มีค่า Surface Resistance อยู่ในช่วงมาตรฐานสากลต่างๆ เช่น ASTM D257 นิยมใช้กับการผลิต หรือผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ ได้แก่
- ชิ้นส่วน และเครื่องมืออุตสาหกรรม
- ผู้บริโภคสินค้า เช่น เสื้อผ้า รองเท้า ถุงมือ เป็นต้น
- ปลอกสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
- ท่อส่งน้ำมัน
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ
- ชิ้นส่วนที่ต้องทนต่อสารเคมี และการคายประจุไฟฟ้าสถิต
- อื่นๆ
ESD เป็นวัสดุที่เหมาะสมกับความต้องการของภาคอุตสาหกรรมโดยเฉพาะเครื่องใช้ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ โดยมีความทนทานและให้การป้องกันการปล่อยไฟฟ้าสถิต ช่วยลดปัญหาความเสียหายให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ได้อย่างมาก
วัสดุพอลิเมอร์ Electrostatic dissipative (ESD) จะทำหน้าที่ให้การป้องกันไฟฟ้าสถิต ซึ่งโดยธรรมชาติจะกระจายการสะสมประจุที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างการทำงานหรือการผลิต จะช่วยปกป้องแผงวงจรในระหว่างการขนส่งและการทดสอบ หรือทำให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ออกแบบมาสามารถใช้งานได้ตลอดอายุของวัสดุ ESD และจะมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำ ในขณะที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่จำเป็นและมักจะทนต่อความร้อนได้ดี
ESD Electrostatic Discharge
ESD Filament มีอะไรบ้าง
3D Printing Filament มีพลาสติกหลากหลายชนิดให้เลือกใช้ตามความเหมาะสมของานต่างๆ นอกจากนี้ยังมีเส้นพลากติกอีกชนิดหนึ่ง คือ ESD safe filament ซึ่งมีคุณสมบัติด้าน Electrical Property ในการช่วยให้การป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต มีประโยชน์อย่างยิ่งในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้ในปัจจุบันมีหลายแบรนด์ดังและหลายค่ายที่มีการผลิตเส้น Filament จากพลาสติกชนิดต่างๆ เช่น PLA, ABS, PEKK, ULTEM เป็นต้น โดยเป็นชนิดที่มีความเฉพาะเจาะจงของเส้นพลาสติก สำหรับการใช้งานในพื้นที่ที่มีไฟฟ้าสถิต ได้แก่
- Fiberlogy (Fiberlab S.A. จากประเทศโปแลนด์)
- Z-ESD (Zortrax S.A. จากประเทศโปแลนด์)
- 3DXSTAT™ (3DXTech จากประเทศสหรัฐอเมริกา)
- อื่นๆ
เส้นพลาสติกเหล่านี้จะมีความต้านทานพื้นผิว (Surface Resistance) มีค่าตั้งแต่ 10^6 ถึง 10^9 Ω เป็นจุดเด่นเรื่องการช่วยลดความเสี่ยงของการทำลาย ความเสียหาย หรืออันตรายกับชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมาก และผ่านมาตรฐานการทดสอบตาม ASTM D257
ปริมาตรความต้านทานไฟฟ้าสถิตที่วัดได้นั้นแม้ว่าจะเหมาะสำหรับวัสดุ ESD แล้วยังขึ้นอยู่กับพื้นที่ของขั้วไฟฟ้า และความหนาของตัวอย่างวัสดุ หน่วยเป็น ohm-cm หรือ ohm-m อีกด้วย
เครื่อง 3D Printer ที่รองรับ
ESD safe filament ถูกผลิตเพื่อใช้กับ 3D Printer ระบบ FDM ทำมาจากวัสดุพลาสติกชนิดนั้นๆ เป็นส่วนประกอบหลัก ยกตัวอย่าง ESD – PETG มีองค์ประกอบ คือ PETG (polyethylene terephthalate glycol-modified) 96%, Carbon-Based Conductive Additives 2 ~ 8% และ Additives and colorants 0 ~ 4% ดังนั้นเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่รองรับการพิมพ์วัสดุชนิดพิเศษเหล่านี้จะใช้อุณหภูมิเดิมของพลาสติกในการตั้งค่าการพิมพ์ ทำให้มีเครื่อง 3D Printer หลายรุ่นที่สามารถรองรับวัสดุจำพวกนี้ เช่น
- Sync C series
- Qidi X series
- Raise3D series
