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Eine unkontrollierte plötzliche Entladung kann elektronische Baugruppen schädigen oder komplett zerstören. Das Thema ESD (Electrostatic Discharge) ist keineswegs neu – jedoch im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung auch für die Verpackungstechnik von zunehmender Bedeutung. Grund genug, sich mit der Entstehung, Lokalisierung und Beseitigung von ESD-Schwachstellen näher zu befassen.

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Elektrostatische Entladungen kennt im Grunde jeder: Geht man bei trockener Luft über einen Teppich, kann man beim Berühren der Türklinke einen elektrischen Schlag bekommen. Was für den Menschen meist nur unangenehm ist, kann bei elektronischen Baugruppen bis zum Totalschaden führen oder die Netzwerk- und Feldbuskommunikation stören.

Der Quick Tester signalisiert die elektrostatische Entladung an der Transportwalze. (Bild: IVG Göhringer + Satori – Fotolia)
Der Bediener bekommt elektrostatische Entladungen visuell per LED und akustisch über eine Hupe signalisiert.
(Bild: IVG Göhringer)

EMV-Störungen

Ein Beispiel aus der Troubleshooting-Praxis von IVG Göhringer zeigt, dass die elektrostatische Aufladung auch an Stellen entstehen kann, die man als Instandhalter als letztes im Verdacht hat. Aber der Reihe nach: Ein Kunde rief IVG Göhringer zu einer Anlage, die Kunststofffolien für Nahrungsmittelverpackungen verkleben sollte, jedoch durch häufige Störungen in der Profibus-Kommunikation aufgefallen war. Nach der ersten Untersuchung des Bussystems wurden einige Installationsfehler beseitigt, so schalteten die Techniker die Busabschluss-Widerstände richtig und kürzten die Segmente auf zulässige Längen. Wider Erwarten lief die Anlage danach nicht störungsfrei, stattdessen wurde messtechnisch eine Vielzahl von EMV-Störungen erfasst. Durch die vielen Metallwalzen und der schnell laufenden Kunststofffolie lag nahe, dass es in einer bestimmten Situation zu einer elektrostatischen Entladung kommen muss.

Lokalisierung der elektrostatischen Aufladung

Um solche Entladungen aufzuspüren, hat IVG Göhringer den Quick Tester ESD-QT 16 entwickelt. Das batteriebetriebene Diagnosegerät erkennt die Magnetfelder, die durch die Entladeströme entstehen, und signalisiert die Störimpulse über eine LED und akustisch über eine Sirene. Der Tester und die Sirene arbeiten mit einer Batterie und können daher mit den Transportkisten oder zusammen mit dem Material durch die Anlage fahren, um Problemstellen zu lokalisieren. Über den potenzialfreien Relaisausgang kann das Gerät auftretende Störimpulse über eine Hupe und eine Leuchte signalisieren. „In solchen Fällen bleibt nichts anderes übrig, als die gesamte Anlage mit dem Quicktester abzugehen“, berichtet Hans-Ludwig Göhringer, Geschäftsführer von IVG Göhringer, von der Fehlersuche und erläutert weiter: „Nahe eines Kugellagers einer bestimmten Walze hatten wir den Eindruck, dass die Hupe einmal pro Walzendrehung ansprang.“ Das bedeutet bei jeder Umdrehung eine elektrostatische Entladung.

Noch am gleichen Tag wurde die betreffende Walze ausgetauscht. Der Mechaniker meinte, das Kugellager sei in Ordnung und er konnte letztendlich dort nichts feststellen. Auf der Oberfläche der Walze waren jedoch leichte Schleifspuren zu erkennen. Durch die minimalen Unregelmäßigkeiten in der Drehung wurde die Folie über die Walze gezogen. Bei diesem Vorgang kam es zum Aufladen durch Reibung und zum gleichzeitigen Entladen, was die Buskommunikation störte. Nach dem Austausch der Walze lief die Anlage wieder einwandfrei.

Wie entstehen elektrostatische Entladungen?

Elektrostatische Ladungen entstehen durch die Reibung und die anschließende mechanische Trennung zweier Materialen ohne oder mit geringer Leitfähigkeit. Man spricht hier auch von Reibungselektrizität oder dem triboelektrischen Effekt (aus dem Griechischen: tribeia = reiben). Dieser löst einen Elektronentransfer von einem Stoff zum anderen aus, was je nach Material zu positiver oder negativer Aufladung führt. Für die Höhe der Ladung sind die Temperatur, die Luft- und Oberflächenfeuchtigkeit sowie die Geschwindigkeit der Trennung ausschlaggebend. Je schneller die Trennung erfolgt, desto größer ist die entstehende Ladung.

Kommt ein leitfähiges Material in die räumliche Nähe, erfolgt ein plötzlicher Ladungsausgleich, bei dem ein kurzer, aber hoher Strom fließt – die elektrostatische Entladung. Während Menschen die Entladung ab einer Spannung von 2.500 V spüren, können elektrische Bauteile schon bei einer Spannungsdifferenz von 10 V Schaden nehmen. Als historisches Beispiel für die Folgen einer Entladung gilt das Unglück des Luftschiffs Hindenburg 1937 in Lake Hurst. Die Unglücksursache ist bis heute nicht eindeutig geklärt. Man geht jedoch davon aus, dass die Hülle des Luftschiffs elektrostatisch aufgeladen war und sich über die zu Boden geworfenen Halteseile entladen hat. Vermutlich haben dabei Funken, die durch eine Büschelentladung der statischen Aufladung entstanden sein könnten, das Wasserstoffgemisch entzündet.

Kunststoffe sind Isolatoren

In vielen Produktionsbereichen nimmt der Einsatz von Kunststoffen zu, sei es als hergestelltes Produkt oder als Teil der Anlage. Es gibt zwar schier unvorstellbar viele verschiedene Kunststoffe, aber eines haben die meisten gemeinsam – sie sind nicht leitfähig und können sich statisch auf mehrere 10.000 V aufladen. Gleichzeitig führt die fortschreitende Digitalisierung im Rahmen von Industrie 4.0 in Fertigungs- und Verpackungslinien zu immer mehr elektronischen Baugruppen. Dazu kommt, dass die Sensoren und Geräte immer kleiner gebaut werden – und zudem immer dichter an das Geschehen rücken. „Bei der Betrachtung dieser Trends wird klar, dass man dem Thema Elektrostatische Entladung zukünftig mehr Aufmerksamkeit schenken muss“, bemerkt Göhringer und erläutert weiter: „Spätestens dann, wenn man aus unerklärlichen Gründen einen defekten Sensor oder eine kaputte Steuerung zum dritten Mal austauschen muss, drängen sich elektrostatische Ursachen auf.“

Konstruktive Schutzmaßnahmen

Bei der Überlegung konstruktiver Maßnahmen hilft das Klassifizieren der Werkstoffe aus ESD-Sicht:

• abschirmend

Metalle haben die Schutzkategorie „abschirmend“. Sie ist durch die hohe elektrische Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe sichergestellt. Der Oberflächenwiderstand ist nach Norm unter 100 Ω.

• leitfähig

„Leitfähigkeit“ wird bei Kunststoffen durch Graphitpartikel erreicht, welche in die Kunststoff-Matrix eingebracht werden. Nach DIN EN 61340-5-1 beträgt der Oberflächenwiderstand zwischen 100 Ω und 100 kΩ.

• statisch ableitfähig

Die Materialien von Schutzverpackungen der Schutzkategorie „statisch ableitfähig“ haben einen Oberflächenwiderstand im Bereich zwischen 100 kΩ und 100 GΩ. Die Leitfähigkeit können Hersteller durch das Einbringen von Metallionen, beispielsweise Kupferionen, erreichen.

• Alle Materialien, deren Oberflächenwiderstand oberhalb von 100 GΩ ist, sind aus ESD-Sicht elektrische Isolatoren. Deren Leitfähigkeit reicht nicht für den ESD-Schutz.

Das Ziel des ESD-Schutzes muss sein, das Entstehen von elektrostatischer Aufladung zu verhindern oder zumindest dafür zu sorgen, dass entstehende Ladung über einen großen elektrischen Widerstand gleichmäßig abfließen kann. Die oben erwähnte Rollenbahn lässt sich dadurch verbessern, dass zwischen den einzelnen Elementen leitfähige Verbindungen hergestellt werden.

Fazit

Das Thema ESD muss mehr in den Fokus der Konstrukteure und Instandhalter rücken: „Bei der Untersuchung von Anlagen mit ESD-Effekten gewann ich in den letzten Jahren die Erkenntnisse, dass man das Thema ESD überhaupt nicht auf dem Schirm hatte“, fasst Göhringer seinen Eindruck zusammen. „Man ging schlicht davon aus, dass alles in Ordnung ist, solange alle LEDs grün leuchten.“

Autor

Gerhard Bäurle, Technikjournalist, für IVG Göhringer

Unternehmen

IVG Göhringer

Mönchweg 5
71088 Holzgerlingen
Deutschland

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