Un’impregnazione conduttiva per proteggere i componenti SLS dalle cariche elettrostatiche
Il centro tedesco per le materie plastiche SKZ – Kunststoff-Zentrum e l’azienda DIAMANT Polymer GmbH stanno lavorando allo sviluppo di un sistema di impregnazione destinato ai componenti polimerici prodotti mediante sinterizzazione laser selettiva. L’obiettivo è conferire ai pezzi una superficie elettrostaticamente dissipativa, capace di mantenere le proprie caratteristiche anche dopo sollecitazioni meccaniche, sfregamento e utilizzo prolungato.
L’attività viene svolta nell’ambito del progetto di ricerca AblImp, avviato nel gennaio 2026 e previsto fino alla fine del 2027. Il programma si concentra soprattutto su componenti realizzati in poliammide 12, o PA12, e poliuretano termoplastico, o TPU, due materiali utilizzati nella produzione additiva per ottenere parti funzionali, geometrie complesse e serie di dimensioni contenute.
Il progetto non riguarda soltanto la formulazione chimica del prodotto impregnante. SKZ e DIAMANT Polymer GmbH intendono definire un processo completo e ripetibile che comprenda progettazione del componente, parametri di stampa, preparazione della superficie, applicazione dell’impregnante e verifica delle proprietà elettriche e meccaniche.
Perché i componenti in plastica possono accumulare cariche elettrostatiche
Molti materiali polimerici sono isolanti elettrici. Durante la manipolazione, il trasporto o il contatto con altre superfici possono quindi accumulare cariche elettrostatiche senza riuscire a disperderle in modo controllato.
Il fenomeno può essere causato dallo sfregamento tra materiali differenti, dalla separazione di due superfici precedentemente a contatto o dal movimento di un componente lungo nastri trasportatori, guide e sistemi automatizzati. Anche il passaggio dell’aria, la presenza di polveri e le condizioni di umidità dell’ambiente possono influenzare l’accumulo di carica.
Quando il potenziale elettrico raggiunge un livello sufficiente, la carica può scaricarsi verso un oggetto conduttivo o verso terra. Una scarica elettrostatica, indicata con la sigla ESD, può risultare quasi impercettibile per una persona ma essere dannosa per circuiti, sensori, semiconduttori e dispositivi elettronici sensibili.
Nelle aree produttive, l’accumulo elettrostatico può inoltre attirare polvere e particelle sulla superficie dei componenti. In presenza di vapori, gas o polveri combustibili, una scintilla può costituire una possibile sorgente di innesco. Per questo motivo la capacità di dissipare la carica è importante non solo nella produzione elettronica, ma anche nei sistemi destinati alla manipolazione di batterie e negli ambienti soggetti a prescrizioni di protezione dalle esplosioni.
Il ruolo della porosità nella sinterizzazione laser selettiva
La sinterizzazione laser selettiva, spesso abbreviata in SLS, è un processo di produzione additiva basato su un letto di polvere polimerica. Un laser riscalda e consolida selettivamente le zone corrispondenti alla sezione del componente. Dopo la deposizione di un nuovo strato di polvere, il ciclo viene ripetuto fino al completamento del pezzo.
Uno dei vantaggi dell’SLS è la possibilità di realizzare forme articolate senza dover costruire strutture di supporto dedicate. La polvere non consolidata circonda infatti il componente durante la fabbricazione e sostiene sporgenze, cavità e geometrie interne.
Il processo produce però superfici caratterizzate da una certa rugosità e da una rete di pori e microcavità. La quantità e la distribuzione di questi vuoti dipendono dal materiale, dalla granulometria della polvere, dall’energia fornita dal laser, dalla temperatura del letto di stampa, dallo spessore degli strati e dall’orientamento del componente.
In molte applicazioni la porosità deve essere limitata o sigillata, per esempio quando il pezzo deve contenere fluidi, mantenere una determinata pressione o resistere all’assorbimento di sostanze. Nel progetto AblImp, SKZ e DIAMANT Polymer GmbH intendono invece utilizzare in modo controllato questa caratteristica come canale di ingresso per l’impregnante funzionale.
La differenza tra impregnazione e rivestimento superficiale
Un rivestimento convenzionale forma uno strato sulla superficie esterna del pezzo. Questo approccio può modificare colore, aspetto, resistenza chimica o conducibilità, ma lo strato applicato rimane esposto all’abrasione. Graffi e usura possono interrompere la continuità del rivestimento e compromettere le sue proprietà elettriche.
L’impregnazione segue un principio differente. Grazie alla capillarità, il materiale liquido penetra nei pori, nelle microfessure e nelle irregolarità del componente. Dopo l’indurimento, il polimero impregnante rimane ancorato anche all’interno della struttura superficiale.
DIAMANT Polymer GmbH possiede esperienza nello sviluppo di sistemi polimerici capillari per la sigillatura di porosità e microfessure. L’azienda propone anche dichtol ESD, un sistema monocomponente pronto all’uso sviluppato per sigillare parti stampate in 3D e renderle elettrostaticamente dissipative.
Il progetto condotto con SKZ permette di approfondire in condizioni controllate il rapporto tra porosità del componente, profondità di penetrazione, uniformità della distribuzione e durata della funzione ESD. La ricerca è rivolta in particolare ai pezzi SLS in PA12 e TPU e alla definizione di parametri applicabili a geometrie differenti.
Provini con livelli di porosità controllati
Per studiare il comportamento dell’impregnante, il gruppo di lavoro realizza provini con strutture e livelli di porosità appositamente differenziati. La variazione può essere ottenuta intervenendo sui parametri di sinterizzazione, sulla geometria dei campioni e sulla densità del materiale consolidato.
I ricercatori di SKZ analizzano quanta sostanza viene assorbita, fino a quale profondità penetra e in che modo si distribuisce. Le prove devono inoltre chiarire se alcune configurazioni producano zone non trattate o accumuli locali in grado di alterare dimensioni, flessibilità o comportamento meccanico.
Le analisi non possono limitarsi alla superficie esterna. Nei componenti destinati all’industria, la conducibilità deve essere sufficientemente omogenea anche in presenza di pareti curve, cavità, sottosquadri, canali e spessori variabili.
La PA12 e il TPU presentano caratteristiche diverse. La PA12 è impiegata per componenti rigidi e funzionali grazie al rapporto tra resistenza, stabilità dimensionale e lavorabilità. Il TPU viene scelto quando sono necessarie elasticità, deformabilità o capacità di assorbire urti e vibrazioni. Una formulazione e un metodo di applicazione efficaci sulla PA12 non producono necessariamente lo stesso risultato sul TPU, soprattutto a causa delle differenze nella struttura e nella risposta alle sollecitazioni.
Come viene valutata la protezione ESD
La sola presenza di additivi conduttivi non è sufficiente a dimostrare che un componente sia adatto a un ambiente protetto dalle scariche elettrostatiche. È necessario misurare il comportamento elettrico del pezzo e verificare che la carica possa essere dispersa secondo modalità prevedibili.
Tra i parametri esaminati rientrano la resistenza superficiale, la resistenza tra due punti del componente e la capacità di scaricare l’elettricità verso un collegamento di terra. La norma IEC 61340-5-1 costituisce uno dei principali riferimenti per la protezione dei dispositivi elettronici sensibili ai fenomeni elettrostatici e per l’organizzazione dei programmi di controllo ESD.
Nel progetto AblImp, SKZ e DIAMANT Polymer GmbH devono valutare non solo il valore iniziale della resistenza elettrica, ma anche la sua stabilità. Un pezzo potrebbe infatti mostrare una buona dissipazione subito dopo il trattamento e perdere parte della funzione dopo abrasione, flessione, urti, pulizia o esposizione a variazioni ambientali.
Per questo motivo i campioni vengono sottoposti a prove meccaniche e a misurazioni ripetute. L’obiettivo è comprendere se la penetrazione dell’impregnante nella struttura SLS possa offrire una durata superiore rispetto a un film applicato soltanto all’esterno.
Applicazione mediante immersione, pennello o spruzzatura
I sistemi impregnanti sviluppati da DIAMANT Polymer GmbH possono essere applicati con diversi metodi, tra cui immersione, colatura, pennello e spruzzatura. La scelta dipende dalle dimensioni del componente, dalla complessità della geometria, dal numero di pezzi e dalla necessità di trattare l’intera superficie oppure soltanto alcune zone.
L’immersione può favorire una copertura completa, ma richiede un controllo accurato del drenaggio e della quantità di materiale assorbito. La spruzzatura può adattarsi meglio a superfici estese o a cicli automatizzati. L’applicazione a pennello può essere utile per prototipi, riparazioni o trattamenti localizzati.
Un processo industriale deve stabilire tempi di contatto, viscosità, temperatura, modalità di asciugatura e quantità di prodotto. Occorre inoltre evitare che l’impregnante ostruisca fori funzionali, sedi di accoppiamento, filettature e canali di piccole dimensioni.
La ripetibilità è un elemento centrale. Due componenti della stessa serie devono presentare proprietà elettriche comparabili, anche quando vengono prodotti in lotti differenti o occupano posizioni diverse all’interno della camera di stampa.
Il caso dei sistemi di presa per le batterie
Tra le applicazioni considerate da SKZ e DIAMANT Polymer GmbH figurano le ventose e gli organi di presa utilizzati nelle linee automatizzate per la produzione di batterie. Questi componenti devono spesso combinare leggerezza, geometrie adattate al prodotto, resistenza meccanica e compatibilità con robot e sistemi pneumatici.
La stampa SLS permette di integrare condotti, connessioni e superfici di presa in un unico pezzo. In assenza di una protezione adeguata, tuttavia, il movimento ripetuto del componente e il contatto con altri materiali possono generare cariche elettrostatiche.
In una linea destinata alle batterie, la dissipazione controllata della carica contribuisce a proteggere sensori, sistemi elettronici e parti sensibili. L’impregnazione può inoltre sigillare la porosità del pezzo, un aspetto utile quando il componente deve mantenere il vuoto o gestire circuiti pneumatici.
La possibilità di ottenere nello stesso trattamento sia la tenuta sia la funzione ESD potrebbe ridurre il numero di fasi di post-processo. Tale vantaggio dovrà però essere verificato rispetto ai requisiti specifici di ciascuna applicazione e ai valori di resistenza richiesti dall’utilizzatore.
Possibili impieghi nell’elettronica e nelle aree con rischio di esplosione
Oltre alla produzione di batterie, i componenti SLS impregnati potrebbero essere utilizzati come supporti, maschere di montaggio, alloggiamenti, convogliatori, adattatori, utensili di presa e attrezzature personalizzate per la lavorazione di dispositivi elettronici.
La produzione additiva consente di realizzare questi elementi in quantità limitate senza ricorrere a stampi. È inoltre possibile adattare rapidamente una geometria a un nuovo prodotto o a una modifica della linea.
Un ulteriore campo di interesse riguarda gli ambienti nei quali sono presenti polveri o sostanze infiammabili. In questi contesti la dissipazione elettrostatica può contribuire alla gestione del rischio, ma il solo trattamento del componente non determina automaticamente la conformità dell’intero sistema. Devono essere considerate anche la messa a terra, le modalità di installazione, l’ambiente operativo, la manutenzione e le prescrizioni applicabili all’impianto.
Dalla formulazione alle regole di progettazione
Il risultato atteso dal progetto AblImp non è soltanto un nuovo materiale impregnante. SKZ e DIAMANT Polymer GmbH intendono elaborare indicazioni che aiutino progettisti e produttori a scegliere correttamente spessori, porosità, orientamento di stampa e parametri di processo.
Una parete troppo densa potrebbe limitare la penetrazione del prodotto. Una struttura eccessivamente porosa potrebbe invece assorbire una quantità elevata di impregnante, con possibili effetti su peso, dimensioni e flessibilità.
Anche la geometria del componente può determinare differenze nella distribuzione. Angoli, cavità profonde e superfici interne richiedono procedure di applicazione e drenaggio adeguate. Per i pezzi in TPU dovrà essere verificato che il trattamento resista alle deformazioni cicliche senza generare fessure o perdere continuità elettrica.
Le conoscenze ottenute sui materiali PA12 e TPU potranno costituire la base per valutare l’estensione del processo ad altri polimeri destinati alla produzione additiva.
Le condizioni necessarie per un impiego industriale
La validazione industriale dipenderà dalla capacità di mantenere valori elettrici costanti su componenti di forme e dimensioni differenti. Sarà inoltre necessario determinare la resistenza del trattamento all’abrasione, alla pulizia, all’umidità, alle variazioni di temperatura e agli agenti chimici presenti negli ambienti di lavoro.
Un altro aspetto riguarda il controllo di qualità. Le aziende utilizzatrici dovranno poter verificare il trattamento con procedure di misura definite e riproducibili. Potrebbero essere necessari controlli su ogni componente oppure prove statistiche sui lotti, in funzione della criticità dell’applicazione.
Il progetto AblImp, sostenuto dal ministero federale tedesco competente per la ricerca e la tecnologia, proseguirà fino alla fine del 2027. Il lavoro congiunto di SKZ e DIAMANT Polymer GmbH mira a chiarire se la porosità tipica della stampa SLS possa essere trasformata da limite produttivo a elemento funzionale, utilizzandola per integrare una protezione elettrostatica più resistente all’usura rispetto ai rivestimenti superficiali sottili.
