Elektrostatische Entladungen (ESD) in der Intralogistik

ESD Electro Static DischargeKunststoffbehälter sind aus dem intralogistischen Materialfluss nicht wegzudenken. Allerdings sind die meisten Kunststoffe Isolatoren, eine Eigenschaft, die problematisch sein kann, denn dadurch sind sie elektrostatisch aufladbar. Das Oberflächenpotential von einem gewöhnlichen Kunststoffkasten beträgt bis zu 20.000 Volt – eine große Gefahr für darin transportierte, elektronische Bauteile. Denn bei einer elektrostatischen Entladung (Electrostatic Discharge, ESD) kann bereits eine geringe elektrische Spannung zu schweren Schäden führen.

Verschiedene Arten elektrostatischer Aufladung

Elektrostatische Aufladungen entstehen vor allem dadurch, dass sich zwei Gegenstände aneinander reiben. Es werden elektrisch geladene Teilchen übertragen, die sich auf der Oberfläche verteilen – der Gegenstand wird aufgeladen. Werden die Gegenstände getrennt, beispielsweise beim Umsetzen von Behältern im Materialfluss, wird die Ladung an der letzten Kontaktstelle abgeführt. Sich schnell wiederholende Bewegungszyklen und hohe Trennungsgeschwindigkeiten sowie hohe elektrische Widerstände der Materialien erschweren den Ladungsausgleich, die Körper laden sich im weiteren Umlauf immer mehr auf.

Eine andere Möglichkeit bei der es zu einer elektrischen Aufladung kommen kann, ist die sogenannte Influenz: Ist ein Körper einem elektrischen Feld ausgesetzt, kommt es zu einer Ladungsübertragung. Diese elektrostatischen Induktionen gehen von betriebenen Maschinenanlagen und elektrischen Geräten aller Art aus. Das Aufladungspotential kann auch hierbei mehrere tausend Volt erreichen.

ssi_schaefer_logo_esdWenn der Funke überspringt: elektrostatische Entladung
Berühren sich zwei Körper mit unterschiedlichem Ladungsniveau, entsteht ein elektrisches Spannungsfeld und die Elektronen des aufgeladenen Gegenstandes oder Körpers fließen über den anderen ab. Bekannt dürfte dieses Phänomen jedem sein, der schon mal eine „gewischt“ bekommen hat. Für uns Menschen bleiben ESD-Effekte meistens unbemerkt, da wir sie erst ab ca. 3000 Volt wahrnehmen. Bemerken wir den elektrischen Schlag, so sind nicht selten Spannungen von mehr als 10.000 Volt übergetreten, bei sehr niedriger Luftfeuchtigkeit sogar bis zu 30.000 Volt übertragen worden.

Für elektrostatisch gefährdete Bauteile (ElectroStatic Discharge Sensitive Device / ESDSD) sind solche Effekte eine große Gefahr. Eine Entladung von fünf bis 20 Volt reicht bereits aus, hochempfindliche Leseköpfe von Hard-Disks zu beschädigen und schon 100 Volt löschen die Informationen auf magnetischen Datenträgern. Geringste elektrostatische Entladungen können latente Fehlfunktionen, verkürzte Lebensdauer oder den Totalausfall elektronischer Geräte zur Folge haben.

ESD-Behälter als Schutz für sensible Bauteile

In Schutzsystemen gegen ESD-Effekte spielen Verpackungen und Behälter aus leitfähigen Kunststoffen eine große Rolle. Die Leitfähigkeit wird durch die Beimischung von leitenden Stoffen erreicht, in den meisten Fällen kommt hier Graphit (Ruße) zum Einsatz. Die verwendeten Kunststoffe werden anhand ihrer Widerstandseigeelectrostatic_discharge_esd_ssi-schaefer_esd-kastennschaften klassifiziert und erhalten darüber ihre jeweilige Funktion, um je nach Einsatzgebiet elektrische Spannungen abzuleiten, elektrostatische Aufladung zu verhindern und Abschirmung gegen elektrische Felder zu gewährleisten – die ausgewählte Mischung dieser Eigenschaften beeinflusst die Art des ESD-Schutzes.

Materialien mit einem Widerstand von ≥ 1 x 102 Ω und < 1 x 105 (EN 61340-5-1) sind sogenannte leitfähige oder konduktive Materialien (bspw. PPL3). Sie sorgen für ein schnelles und vollständiges Abfließen der Ladung. Dissipative oder ableitende Materialien (bspw. PPL6) weisen einen elektrischen Widerstand zwischen ≥ 1 x 105 Ω und < 1 X 1011 Ω (EN 61340-5-1) auf und sind damit weniger leitfähig, eine temporäre Felddurchdringung ist möglich. Gemäß der VDA 4504 (ESD) müssen die von der Norm betroffenen Behälter (R-/RL-KLT aus PPL6) einen Widerstand von ≥ 1 x 104 Ω und < 1 x 1010 Ω aufweisen.

Einsatzgebiete von ESD-Behältern PPL3 und PPL6

Wie oben dargestellt, unterscheiden sich ESD-Behälter vor allem durch ihre Leitfähigkeit. Behälter aus konduktiven Materialien wie PPL3 werden für den Transport von Bauteilen verwendet, die keinen Kontakt zur Behälteroberfläche haben. Ihre Aufgabe konzentriert sich auf die Abschirmung elektrostatischer Entladung. Die Lagerung der sensiblen Elemente in den Kästen erfolgt in einer Konstruktiv-Verpackung.

Behälter mit dissipativen Eigenschaften (PPL6) fokussieren die Ableitung der vorhandenen Ladungsenergie, empfindliche Bauteile können mit direktem Kontakt zur Behälteroberfläche transportiert werden. Dank der geringen Umverteilungsgeschwindigkeit ist eine Funkenentladung zur Erde ausgeschlossen, wodurch diese Behälter auch zum Transport von leicht brennbaren Gütern geeignet sind.

Infografik: ESD-Schutz durch Kästen und Behälter aus leitfähigen Kunststoffen. Materialien zum ESD-Schutz werden anhand ihrer Widerstandseigenschaften klassifiziert.

ESD-Behälter als ein Teil des ESD-Schutz-Systems

SSI Schäfer KDR mit ESD SchutzSelbstverständlich reichen ESD-Behälter allein nicht aus, um einen wirksamen ESD-Schutz im Betrieb umzusetzen und Schäden von sensiblen elektronischen Bauteilen fern zu halten. ESD-Schutz muss immer als System betrachtet werden, in dem einzelne Teilbereiche ineinander greifen und nur zusammen einen kompletten Schutz gewährleisten können. Die Fertigung und Verarbeitung von sensiblen elektronischen Bauteilen geschieht in speziell ESD-geschützten Bereichen, den sogenannten „Electrostatic Protected Areas“ (EPA).

electrostatic_discharge_esd_ssi-schaefer_regal_esd-rollen_kdrZiel ist es, im gesamten ESD-Bereich elektrostatische Aufladungen von Mitarbeitern, Maschinenanlagen, Werkzeugen, Fußböden und Transportmitteln sowie Regalen und Fördertechnik zu verhindern und vorhandene Ladungen möglichst kontrolliert abzuleiten. Daher muss der ESD-Schutz in all diesen Teilbereichen konsequent umgesetzt werden. Als einfache Regel gilt: Wo keine Aufladung, da keine Entladung – vorhandene Ladung immer vollständig ableiten.

Der Mensch als Risiko – Persönliche ESD-Schutzausrüstung

Maschinenanlagen, Fördertechnik sowie die Lager- und Betriebseinrichtungen sind relativ statische Sicherheitssysteme in Bezug auf den ESD-Schutz: Einmal eingeführte Standards bleiben stabil und gewährleisten einen effizienten Schutz. Der Mensch allerdings ist eine problematische Größe: Personen sind die Hauptquellen elektrostatischer Ladung. Alle Mitarbeiter sollten daher über eine vollständige ESD-Schutzausrüstung verfügen und Arbeitsplätze entsprechend ausgerüstet sein. Zudem muss sichergestellt werden, dass alle Schutzmaßnahmen auch richtig und ausnahmslos angewendet werden.

Spezielle Armbänder zur Erdung, Kleidung und Schuhe sowie genormte Möbel und Arbeitsmaterialien gewährleisten einen sicheren Schutz vor ESD-Effekten. Außerdem wirken Zugangsbeschränkungen zu geschützten Bereichen (EPA) mit Erdungszwang routinebedingten Nachlässigkeiten im betrieblichen Alltag entgegen.

ESD-Schutz – Sicherheit die sich auszahlt

Elektrostatische Entladungen sind gefährlich. Allgemeine Bekanntheit haben furchtbare Katastrophen erreicht, die durch ESD-Effekte ausgelöst wurden, wie beispielsweise der Absturz des Zeppelins Hindenburg oder die Explosion einer Pershing Rakete in Ramstein – die meistens Unfälle die durch elektrostatische Entladungen entstehen sind jedoch nicht spektakulär, sondern einfach nur teuer. Der finanzielle Schaden, der vor allem der Elektronik- und Mikroelektronik-Industrie entsteht, liegt jährlich in Millionenhöhe.

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Konsequente Umsetzung der möglichen ESD-Schutz-Maßnahmen in allen Bereichen des Unternehmens und regelmäßige Schulungen der Mitarbeiter gewährleisten schließlich einen effektiven und vollständigen ESD-Schutz. Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist dabei, dass ESD-Schutz stets im Bewusstsein aller Beteiligten gegenwärtig ist. Auch externe Dienstleister dürfen von diesen Maßnahmen nicht ausgeschlossen werden und müssen ihrerseits die Umsetzung von Standards garantieren. Insgesamt können so die immensen Schäden durch ESD-Effekte während der Produktion und im Lagerprozess gegen Null reduziert werden.

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