פילמנט ESD — המדריך המלא: למה מאה וולט הורגים שבב, ואיך פלסטיק שזולג מגן עליו

הניצוץ הקטן שאתם מרגישים כשנוגעים בידית דלת אחרי הליכה על שטיח הוא בערך שלושת אלפים וולט — וזה רק הרף שבו אדם מרגיש משהו. רכיב אלקטרוני מודרני, שבב זיכרון או טרנזיסטור על לוח, יכול להיהרס בפחות ממאה וולט, מפריקה שאף אחד לא הרגיש, לא ראה ולא שמע. הוא לא יפסיק לעבוד באותו רגע; הוא יעבוד עוד שבועיים ואז יפסיק, או יעבוד תמיד קצת פחות טוב ממה שהיה אמור, ואף אחד לא יקשר את זה למגש הפלסטיק שהלוח שכב עליו. פילמנט ESD קיים כדי שהמגש הזה, ההתקן, הידית, המכסה — כל חלק מודפס שנוגע באלקטרוניקה — לא יצבור מטען ולא ישחרר אותו בבת אחת. וזה אחד החומרים שהכי קל למכור בטעות, כי "מוליך" ו"נוגד סטטי" נשמעים כמו אותו דבר ואינם.

זה המדריך האחד־עשר בסדרת הפילמנטים, והשני מבין שלושת הפילמנטים המיוחדים, אחרי מדריך המחוזקים בסיבים. נסביר מה חשמל סטטי עושה לרכיבים ולמה, מה ההבדל בין מוליך, מפזר (דיסיפטיבי) ומבודד ולמה רק האמצעי הוא מה שרוצים, איך פילמנט ESD מיוצר ולמה סיבי פחמן רגילים אינם תחליף, מה מדפיסים בו, איך בודקים אם הוא באמת עובד, ומה ההגדרות — שהן, לשמחתנו, כמעט הגדרות PETG. ההשוואה הכללית בין החומרים הבסיסיים נמצאת במאמר ההשוואה.

מה חשמל סטטי עושה — ולמה פלסטיק הוא הבעיה

חשמל סטטי הוא מטען שנצבר על משטח ואין לו לאן ללכת. כששני חומרים נוגעים ונפרדים — נעל על שטיח, שרוול על שולחן, חלק פלסטיק שמחליק בתוך מגש — אלקטרונים עוברים מאחד לשני, ובחומר שמוליך חשמל הם מתפזרים מיד ומאזנים את עצמם; בחומר מבודד הם נשארים בדיוק במקום שהגיעו אליו, ומצטברים. פלסטיק הוא מבודד מצוין — זו הסיבה שמצפים בו חוטי חשמל — ולכן חלק פלסטיק רגיל צובר מטען בקלות, מחזיק אותו שעות, ומשחרר אותו בבת אחת ברגע שמשהו מוליך נוגע בו. אם המשהו הזה הוא רגל של שבב, כל האנרגיה עוברת דרכו במיליוני שנייה, והמעבר הדק שבתוכו — שכבה של ננומטרים — נשרף.

הנזק הזה, שנקרא ESD — פריקה אלקטרוסטטית — הוא שקט. מיעוט הרכיבים מתים במקום; רובם נפגעים חלקית, וממשיכים לעבוד עם שגיאות אקראיות או תוחלת חיים מקוצרת, ולכן קשה כל כך לייחס תקלה למקורה. תעשיית האלקטרוניקה בנתה סביב זה תקן שלם — ANSI/ESD S20.20 של ESDA, ובמקביל IEC 61340 — שמגדיר מה מותר לגעת ברכיבים: משטחי עבודה, כלים, אריזות, בגדים, ורצפות שכולם מפזרים מטען באופן מבוקר. חלק מודפס שנכנס לסביבה כזו צריך לעמוד באותן דרישות, ואם הוא לא — הוא החוליה החלשה שמבטלת את כל השאר.

מוליך, מפזר, מבודד — ולמה רק האמצע נכון

המדד שקובע הוא התנגדות פני השטח, ומודדים אותה באוהם. מתכת, עם התנגדות של שברירי אוהם, מוליכה: מטען שמגיע אליה מתפזר מיד — וזו בדיוק הבעיה, כי הפריקה לתוכה היא מיידית וחזקה, ומגש מתכת שנוגע בלוח טעון גורם לאותו נזק כמו אצבע. פלסטיק רגיל, עם התנגדות של טריליון אוהם ומעלה, מבודד: הוא צובר ואינו משחרר. מה שרוצים הוא בדיוק באמצע — חומר מפזר, או דיסיפטיבי, עם התנגדות של מיליון עד מיליארד אוהם, שמאפשר למטען לזרום ממנו החוצה, אבל לאט: לא בניצוץ, אלא בזליגה מבוקרת, במיליוני שנייה שהופכות לאלפיות. זה ההבדל בין שפיכת דלי לבין פתיחת ברז.

הטבלה מסבירה גם למה "ESD" ו"מוליך" אינם אותו דבר, ולמה זה מסוכן להתבלבל. פילמנט מוליך באמת — עם ריכוז גבוה של פחמן, שמיועד לחיישני מגע ולמעגלים פשוטים — הוא מוליך מדי בשביל להגן על רכיבים, וגם מסוכן אם הוא נוגע במתח רשת. ופילמנט ESD אינו מיועד להעביר חשמל: נורת LED לא תידלק דרכו, ולא צריך שתידלק. הוא מיועד לזלוג, לאט, לאדמה.

איך מייצרים פילמנט ESD — ולמה סיבי פחמן אינם תחליף

פלסטיק הופכים למפזר בעזרת תוסף מוליך שמפוזר בתוכו ברשת דקה — חלקיקים שנוגעים זה בזה מספיק כדי שמטען יוכל לעבור ביניהם, ולא מספיק כדי שיהיה מוליך של ממש. שני התוספים הנפוצים: פחמן שחור (carbon black), אבקה זעירה שבמינון של 15–25 אחוז יוצרת רשת כזו אבל מחלישה את הפלסטיק ומקשה על ההדפסה; וצינוריות פחמן (CNT), מבנים באורך מיקרונים ובקוטר ננומטרים, שבזכות היחס בין האורך לקוטר יוצרות רשת רציפה כבר ב-1–3 אחוזים, ולכן כמעט אינן משנות את התכונות המכניות של הבסיס. הפילמנטים הטובים בקטגוריה משתמשים ב-CNT, וה-PETG ESD של eSUN שאנחנו מחזיקים מוצהר כמפזר, בטווח ההתנגדות שמתאים לעבודה עם אלקטרוניקה, על בסיס PETG רגיל שמדפיס כמו PETG.

ולמה לא פשוט PETG-CF, שגם הוא שחור וגם בו יש פחמן? כי סיבי פחמן קצוצים אמנם מוליכים, אבל הם מפוזרים באופן אקראי: במקום אחד על החלק הם נוגעים זה בזה והמשטח מוליך מדי, במקום אחר הם מכוסים בפלסטיק והמשטח מבודד, והתוצאה היא חלק שמודד ערך אחר בכל נקודה — ולעיתים ניצוץ בדיוק היכן שלא רוצים. ההבדל בין פילמנט ESD לפילמנט CF הוא לא בחומר אלא באחידות, ופילמנט ESD אמיתי מנוסח ונבדק כך שהתנגדותו נמצאת בטווח בכל נקודה על פני השטח. חלק CF שנועד "להיות בטוח בערך" הוא הדבר שאף מהנדס אלקטרוניקה לא יאשר, ובצדק.

ויש עוד סיבה שההבדל בין CF ל-ESD אינו רק עניין של תקן: הפחמן הקצוץ מוליך יותר מדי במקומות שבהם הוא מרוכז. חלק CF יכול להיות מוליך מספיק בנקודה אחת כדי לפרוק לוח בניצוץ — בדיוק מה שמגש ESD אמור למנוע — ומבודד בנקודה סמוכה. חומר מפזר אמיתי נמצא באמצע בכל מקום, וזו לא תכונה שאפשר להשיג במקרה.

מהמפעל למדפסת — היסטוריה קצרה

הבעיה ותיקה כמו האלקטרוניקה המוליכה־למחצה, והיא הפכה לקריטית בשנות השבעים, כשטרנזיסטורי MOSFET — שהשכבה המבודדת שלהם דקה ורגישה במיוחד — הפכו לרכיב הסטנדרטי, ומפעלים גילו שאחוזי הפסולת שלהם קשורים לעונה, ללחות ולבגדים של העובדים. משם צמחו רצועות היד עם הנגד של מגה־אוהם, המחצלות המפזרות, הרצפות, השקיות הוורודות והכסופות, והתקנים שמסדירים אותם. פלסטיקים מפזרים להזרקה — מגשים, קופסאות, ידיות כלים — קיימים מאותה תקופה, על בסיס פחמן שחור; צינוריות הפחמן, שהתגלו ב-1991, אפשרו מהשנות האלפיים חומרים מפזרים שאינם מקריבים חוזק.

אל המדפסות הביתיות פילמנט ESD הגיע סביב 2016–2018, כשמעבדות אלקטרוניקה ומפעלי ייצור קטנים התחילו להדפיס התקנים ומגשים בעצמם וגילו שהם צריכים חומר שעומד באותו תקן כמו שאר הציוד. הוא נשאר חומר של מי שצריך אותו — אין סיבה להדפיס בו כיסוי לטלפון — אבל אצל מי שצריך, הוא מחליף מוצרים יקרים בהרבה שנקנו מספקים תעשייתיים: מגש ייעודי ללוח מסוים, שהיה נרכש בסדרה של אלף, מודפס עכשיו בעשר יחידות.

איך פילמנט ESD מתנהג במדפסת — מה שונה מ-PETG

הבשורה הטובה: כמעט כלום. PETG ESD מדפיס כמו PETG — אותו משטח, אותו מאוורר חלקי, אותה נטייה לחוטים שנפתרת בירידה של חמש מעלות ובגליל יבש. מה שכן שונה, ושווה לדעת מראש: החומר צמיג מעט יותר, ולכן 5–10 מעלות יותר בראש ומהירות מעט נמוכה יותר; הגימור מט עמוק, כמעט כמו של CF, ומסתיר קווי שכבה — מה שנוח לתצוגה ומטעה לבדיקה; והצבע הוא שחור, תמיד, כי התוסף המוליך שחור ואין דרך לעקוף את זה. הידבקות בין השכבות טובה, ההתעקמות נמוכה כמו ב-PETG, והחומר סלחני מספיק למדפסת פתוחה בלי תא.

שני דברים דורשים תשומת לב מיוחדת. לחות: PETG ESD סופג מים כמו PETG, אבל בחומר הזה הנזק כפול — בועות בחומר אינן רק פגם ויזואלי אלא הפרעות במסלול הפיזור, וחלק שהודפס מגליל לח עלול למדוד מחוץ לטווח גם כשהוא נראה בסדר. ייבוש ב-60–65 מעלות למשך 4–6 שעות לפני כל הדפסה שנכנסת לסביבה מבוקרת, לפי מדריך הלחות. וניקיון הראש: שאריות של פילמנט אחר בראש ההדפסה — במיוחד פילמנט בצבע בהיר — יוצאות בשכבות הראשונות של החלק ומייצרות אזורים בלי תוסף, ולכן טיהור של 10–20 סנטימטר פילמנט לפני הדפסה ראשונה, או מגדל טיהור קטן, הם חלק מהתהליך. חלק ESD שהשכבה התחתונה שלו לבנבנה הוא חלק שהמגש שלו אינו ESD בדיוק היכן שהלוח נוגע.

מה מדפיסים ב-ESD — רשימה מהניסיון

הרשימה הזו באה ממי שקונה אצלנו את הגליל הזה, ורובם עובדים עם אלקטרוניקה באופן מקצועי או כתחביב רציני: מגשים ותושבות ללוחות מודפסים בזמן הרכבה, בדיקה ואחסון — השימוש הנפוץ ביותר; התקני בדיקה (jigs) שמחזיקים לוח בזמן שמודדים אותו; מארזים לרכיבים חשופים — קופסאות לחיישנים, למודולים ולמכשירים שהלוח שלהם נוגע בדופן; ידיות ואחיזות לכלים במעבדה — פינצטות, מברגים, מחזיקי לוח; מגירות ומחלקים לרכיבים, במקום המגשים הפלסטיים הרגילים שכולם צוברים מטען; חלקים לציוד בדיקה ולרובוטים שמטפלים בלוחות; מחזיקי סוללות ומארזים לסוללות ליתיום ברחפנים ובמכשירים ניידים; וחלקים לחדרים נקיים ולמעבדות שבהן כל מה שנכנס חייב לעמוד בתקן. המשותף: החלק נוגע, או עלול לגעת, במשהו שמאה וולט הורגים.

ומה לא: כל דבר שאינו נוגע באלקטרוניקה. פילמנט ESD יקר מ-PETG, שחור בלבד, ומעט פחות חזק — ולחלק רגיל אין לו יתרון. גם לא "ליתר ביטחון" במארז שהלוח בתוכו מבודד ממילא: אם הלוח יושב על עמודי הרחקה ואינו נוגע בדופן, המארז יכול להיות מכל חומר.

איך יודעים שזה עובד — בדיקה בבית

הדרך הנכונה למדוד התנגדות פני שטח היא מד ייעודי — מגה־אוהם־מטר עם שני אלקטרודות במשקל ובמרווח מוגדרים, לפי שיטת המדידה של התקן — וזה כלי שקיים בכל מעבדת אלקטרוניקה ולא בכל בית. מולטימטר ביתי רגיל אינו מודד את זה נכון: הוא מודד התנגדות בין שתי נקודות מגע קטנות, במתח נמוך, ומראה לרוב "אין קשר" גם על חומר מפזר תקין, כי הטווח שלו נגמר בעשרות מגה־אוהם. אם אין לכם מד ייעודי, יש שתי בדיקות פשוטות שאומרות משהו: מבחן הפיסות — פיסות נייר זעירות שנמשכות לחלק PETG רגיל אחרי שמשפשפים אותו בבד, ולא נמשכות לחלק ESD; ומבחן הפריקה — חלק ESD שנוגע ברצועת יד מוארקת אינו "מקפיץ" את המחט של מד שדה סטטי, אם יש כזה בסביבה. שתיהן איכותיות, לא כמותיות, ולסביבה שדורשת תקן — מד ייעודי, פעם אחת, על קובייה מודפסת.

ומה שחשוב לדעת על המדידה: ההתנגדות תלויה בכיוון ההדפסה ובגימור. חלק ESD מודד מעט אחרת לאורך הקווים ולרוחבם, ומשטח שנשייף מודד אחרת ממשטח כפי שיצא מהמדפסת, כי השיוף חושף תוסף. לכן בודקים את החלק כפי שהוא ישמש — ולא משייפים חלק ESD אלא אם חייבים.

בריאות ואוורור

הפליטות של PETG ESD בהדפסה הן הפליטות של PETG — נמוכות, בלי סטירן — והתוספים המוליכים, בין שהם פחמן שחור ובין צינוריות פחמן, נשארים קשורים בתוך הפלסטיק ואינם משתחררים בחימום. מה שדורש תשומת לב הוא, שוב, העיבוד אחרי ההדפסה: אבק של שיוף או קדיחה של חומר עם צינוריות פחמן הוא לא משהו שרוצים לנשום — יש דאגות ממשיות לגבי שאיפה של ננו־מבנים כאלה בצורתם החופשית, ולמרות שבחלק מודפס הם קשורים בפלסטיק, אין סיבה לבדוק את הגבול. שיוף רטוב, מסכת N95 או FFP2, ועדיף בכלל לא לשייף, כי השיוף גם משנה את התכונה שבשבילה קניתם את החומר. ומזון — לא, ולא צריך להסביר למה על חומר שחור עם פחמן ומשתמשים בו למגשי לוחות.

עוד נקודה שקשורה לבטיחות, אבל מהכיוון השני: חלק ESD מפזר מטען סטטי, והוא אינו מבודד חשמלי במובן שרגילים אליו. מארז PETG רגיל סביב מעגל שמחובר לרשת מבודד את המשתמש מהמתח; מארז ESD, עם התנגדות של מיליונים בודדים של אוהם, מוליך מספיק כדי שמגע ברשת דרכו יורגש, ובתנאים מסוימים גם יסכן. חלקים שנוגעים במתח רשת — 230 וולט — אינם מודפסים בחומר מפזר, נקודה; ESD הוא חומר לסביבת רכיבים במתח נמוך, ומי שמתכנן מארז למכשיר שמתחבר לשקע צריך חומר מבודד עם דירוג דליקות, שזה נושא המדריך הבא.

שלוש עובדות שלא ידעתם על ESD

החורף הישראלי מסוכן יותר לאלקטרוניקה מהקיץ. לחות באוויר מפזרת מטען סטטי — שכבת מים דקה על כל משטח מוליכה מספיק — ולכן בקיץ הלח, ב-70 אחוזי לחות, קשה בכלל לצבור ניצוץ. בחורף, בחדר מחומם במזגן ב-25 אחוזי לחות, אותו שטיח נותן חמשת אלפים וולט. מי שמדפיס התקנים לאלקטרוניקה ומרגיש ש"בקיץ הכול היה בסדר" — זו הסיבה.

הנגד ברצועת היד הוא מיליון אוהם — בכוונה. רצועת ESD אינה מחברת אתכם ישירות לאדמה; יש בה נגד של מגה־אוהם שמאפשר למטען שלכם לזלוג לאט, ובעיקר מגן עליכם אם תיגעו במקרה במתח רשת. אותו עיקרון בדיוק של החומר המפזר: לא מוליך, זולג.

השקית הוורודה אינה ESD. השקיות הוורודות שרכיבים מגיעים בהן הן "אנטי־סטטיות" — הן לא יוצרות מטען בחיכוך — אבל אינן מגנות מפריקה מבחוץ; לזה יש את השקיות הכסופות המסוככות. פילמנט ESD הוא מהסוג המפזר, שגם לא צובר וגם מפזר — קרוב יותר לכסופה מלוורודה.

הגדרות מומלצות — נקודת התחלה

המספרים מבוססים על דף המוצר של eSUN ל-PETG ESD ועל הנחיות ה-PETG של Prusa, שהן הבסיס. ההבדל מ-PETG רגיל: מעט יותר צמיג, מעט יותר רגיש ללחות, ומט. הכול במדריך ה-PETG תקף, עם ההתאמות שבטבלה.

הערה על הדפנות והשכבות: תכונת הפיזור נמצאת בחומר, אבל היא עובדת דרך רציפות — מטען צריך מסלול מהנקודה שנגעה ברכיב אל הנקודה שמוארקת, ומסלול כזה עובר בדפנות ובין השכבות. שלושה קווי דופן ומעלה, שכבות שנדבקות היטב (ולכן לא מאוורר על מלא), ובלי חורים או פינות שלא התמלאו — חלק ESD עם שכבה שנפרדה הוא חלק עם קו שהמטען לא עובר בו. וכשמארזים חלק ESD במכשיר, מוסיפים נקודת הארקה: בורג מתכת שנוגע בחלק ומחובר לשלדה או לאדמה. חומר מפזר שאינו מחובר לשום דבר מפזר לתוך עצמו, וזה עדיין טוב ממבודד, אבל זה לא כל מה שהוא יודע.

עשה ואל תעשה

עשו:

• הדפיסו קובייה ובדקו אותה במד ייעודי, פעם אחת, לפני שחלקים נכנסים לסביבה שדורשת תקן. המדידה על הקובייה תקפה לכל מה שיודפס באותן הגדרות.
• תכננו נקודת הארקה — בורג, תותב, חוט — לכל חלק שמחזיק לוח. חומר מפזר עובד הכי טוב כשיש לו לאן לזלוג.
• הדפיסו דפנות עבות ושכבות שנדבקות. הפיזור עובר דרך רציפות החומר.
• ייבשו לפני כל הדפסה לסביבה מבוקרת. בועות בחומר הן הפרעות במסלול הפיזור.

אל תעשו:

• אל תשתמשו ב-PETG-CF כתחליף. הוא מודד ערך אחר בכל נקודה, ואינו מה שתקן דורש.
• אל תסמכו על מולטימטר ביתי. הוא יראה "אין קשר" גם על חומר תקין. מד ייעודי, או לפחות מבחן הפיסות.
• אל תשייפו חלק ESD אלא אם חייבים — השיוף משנה את ההתנגדות ומשחרר אבק תוסף. ואם חייבים: רטוב, ובמסכה.
• אל תניחו שחלק ESD מגן ממתח רשת. הוא מפזר סטטי, לא מבודד חשמל. 230 וולט הם סיפור אחר לגמרי.

מה ניתן למצוא אצלנו בחנות

אנחנו מחזיקים PETG ESD של eSUN, בשחור, בקטגוריית הפילמנטים המיוחדים — בסיס PETG שמדפיס במדפסת פתוחה, בלי תא ובלי פייה מיוחדת, עם תוסף שמביא אותו לטווח המפזר. הבחירה ב-PETG כבסיס אינה מקרית: הוא החומר שעמידותו בחום ולכימיקלים מספיקה למעבדה, שמדפיס בקלות, ושרוב מי שמדפיס התקנים כבר מכיר. אם השימוש שלכם דורש עמידות בחום גבוהה יותר — למשל התקן שנכנס לתנור ריפלואו — זו שאלה לשיחה, כי לזה יש חומרים אחרים, ואנחנו נגיד בכנות אם הם מתאימים למדפסת שלכם. ולמי ששואל "האם אני צריך את זה בכלל": אם הלוח שלכם נוגע בחלק המודפס — כן. אם לא — PETG רגיל, שחור אם רוצים, יעשה את אותה עבודה. ומי שכן צריך — קונה גליל אחד, מדפיס קובייה, ומודד אותה במעבדה שיש בה מד; אחרי זה כל מה שיודפס באותן הגדרות ובאותו גליל נמצא בטווח, וזו הבדיקה היחידה שצריך לעשות פעם אחת.

מהחנות — רלוונטי לכתבה

מיוחדיםפילמנט למדפסת תלת מימד PVB – מבית SUNLU139 ₪ 179 ₪ ASAפילמנט למדפסת תלת מימד – ASA-CF – מבית AGF – שחור99 ₪ 149 ₪ PETGפילמנט למדפסת תלת מימד – PETG-CF – מבית AGF – שחור99 ₪ 149 ₪ מיוחדיםפילמנט למדפסת תלת מימד – PVA – מבית eSUN139 ₪

← בחזרה למרכז הידעלקטגוריית הדפסת תלת מימד

שאלות נפוצות על פילמנט ESD

פילמנט ESD הוא תשובה לשאלה מדויקת — "האם החלק נוגע ברכיב שפריקה שקטה תהרוג?" — וכשהתשובה חיובית, הוא הופך חלק מודפס לחלק שמותר לו להיות במעבדה. מפזר, לא מוליך; נבדק, לא משוער; ומוארק אם אפשר. המדריך הבא בסדרה: פילמנט דוחה אש — מה UL 94 אומר, מה "דוחה" אומר בפועל, ולמה זה אינו "לא נדלק".

אסף צבארי — בעלים של מייקר דיפו. רואה חשבון ומנהל כספים לשעבר שהפך תחביב של שנים לעיסוק מלא, ועוסק בעצמו בהזמנות, בפניות ובמציאת הפתרונות ללקוחות החנות.