Energieführungskette (AtEX)

Zu hohe Aufladung?

Bei elektrostatischen Entladungen (Electronic Static Discharge) geht es vor allem um Übertragungen von Ladungen zwischen Gegenständen mit unterschiedlichem Potential durch direkten Kontakt oder Influenz aufgrund elektrischer Felder. Die Schäden, die diese Entladungen an empfindlichen Bauteilen verursachen, gehen Jahr für Jahr in die Millionen. Eine der Maßnahmen dieses zu verhindern ist die Verwendung von Materialien mit speziellen physikalischen Eigenschaften. Neben den weiter unten beschriebenen ,,Widrigkeiten" für die Hersteller wie Kennzeichnung, EG-Konformitätserklärung, Abnahme und Zertifizierung steht also erst einmal die Problematik des Werkstoffs im Vordergrund. Welche Vorgänge stecken eigentlich genau hinter den Aufladungen, beziehungsweise Entladungen?

Das Problem  der Ladungstrennung

Bei ausreichender Energiezufuhr, wie beispielsweise Wärme, können Elektronen aus der Oberfläche eines Festkörpers austreten. Die dazu notwendige Energie wird als Austrittsenergie bezeichnet und ist vom Material abhängig. Bei Metallen, die ohnehin eine Vielzahl frei beweglicher Elektronen besitzen ist sie niedriger als bei Isolatoren (beispielsweise die meisten Kunststoffe). Bringt man nun zwei Gegenstände mit unterschiedlichen Austrittsenergien zusammen, erfolgt in der gemeinsamen Grenzschicht ein Übergang dieser Elektronen, und zwar von dem Material mit der geringeren Austrittsenergie zum anderen. Die Anzahl ist dabei direkt von der Energiedifferenz abhängig. Eine Polarisierung und somit ein Spannungspotential kommt dadurch zustande, dass jetzt auf der einen Seite ein Mangel an Elektronen herrscht, und somit eine positive Aufladung, auf der anderen Oberfläche eine negative Schicht gebildet wird. Dieses Potential beträgt zu diesem Zeitpunkt aber erst wenige Millivolt. Das Ganze wird erst dann zu einem Problem, wenn die beiden Materialien wieder getrennt werden. Da die Gesamtladung als Produkt von Kapazität und Spannung erhalten bleiben muss, die Kapazität durch die ansteigende Entfernung aber sinkt, muss die Potentialspannung ansteigen. Berücksichtigt man bei der Trennung auch noch den Zusammenhang zwischen Gesamtladung, Ableitzeit, Spannung und Oberflächenwiderstand so sieht man, dass bei schnellen Trennungen und hohen Oberflächenwiderständen die Ladungen nicht schnell genug ,,zurückfließen" können. Somit verbleiben Restladungen, aus denen sehr große Werte elektrischer Durchschlagfeldstärken resultieren, die dann elektronische Bauteile beschädigen oder zerstören können. Weitere Probleme, neben dem Einfluss der Luftfeuchte auf den Oberflächenwiderstand, entstehen durch elektrische Felder. Sie können auf leitfähigen, aber neutralen Materialien, eine Ladungsverschiebung (Influenz) hervorrufen, die dann im Kontakt mit dem Erdpotential durch eine entsprechend hohe Entladung wieder ausgeglichen wird. Solche unangenehmen Entladungen sind jedem bekannt, der über einen positiv geladenen Fußboden geht und dann durch Berühren von geerdeten Teilen den Ausgleich zum Erdpotential herstellt.

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Leitfähigkeiten  von Materialien

Eines der Hauptziele besteht darin die isolierenden Eigenschaften der Materialien durch die Erhöhung der Eigenleitfähigkeit zu verringern, um so die Aufladung zu begrenzen. Die maßgeblichen Materialwiderstände sind der Ableitwiderstand zwischen einem leitfähigen Teil des Werkstoffes und der Erde, der Oberflächenwiderstand, der das elektrische Verhalten der Materialoberfläche definiert und der Volumenwiderstand für das ,,innere" Verhalten ohne Oberflächenanteil. Bleiben wir bei dem anfangs erwähnten Beispiel der Energieführungsketten, ohne die man sich automatisierte Prozesse in der Automobilproduktion, an Regalbediengeräten und auch im Reinraumbereich schon gar nicht mehr vorstellen kann. Energieführungsketten mit ableitfähigen Eigenschaften gibt es zwar schon länger, sie bestanden meist aus Polyamid (PA) und einem hohen Kohlefaseranteil, waren aber relativ teuer. Mittlerweile werden für Energieführungsketten je nach Hersteller unterschiedliche Materialien genutzt. Eine der Varianten ist modifiziertes, kristallines Polyamid mit einem geringen Kohlefaseranteil und beigemischtem Metallpulver, um die geforderten Eigenschaften sowie eine hohe Abriebfestigkeit und ein geringes Eigengewicht zu erreichen. Ob den Werkstoffen nun geschützte Markennamen verliehen werden, oder ob es sich um nicht näher spezifizierte Kunststoffe handelt, die hochwertigen Ketten dürften eines gemeinsam haben: Die aus elektrostatischen Ableitungsgründen dem Grundstoff (meist Polyamid) beigemischten Additive sind weder Antistatika wie in früheren Zeiten noch eine auf die Oberfläche aufgebrachte leitfähige Schicht, die sich im Laufe der Zeit abreibt. Eine der neueren Varianten ist der Polymerzusatz durAstaticE9 mit intrinsischer (eigener) Leitfähigkeit, der mit anderen Kunststoffen für entsprechende Ableitfähigkeit gemischt werden kann. Die neue europäische Explosionsschutzverordnung ATEX 94/9/EG gibt für einige Widerstände genaue Grenzwerte vor: So muss der Oberflächenwiderstand für feste, ableitfähige Stoffe größer als 104 und kleiner als 109 Ohm sein – bei der genannten Obergrenze geht die elektrostatische Aufladefähigkeit im Normklima gegen Null. Für den Volumenwiderstand gilt, dass feste und flüssige Stoffe dann leitend sind, wenn der spezifische Widerstand kleiner 104 Ohm ist.

Neues für Hersteller,  Kunden und Lieferanten

Am 1. Juli 2003 trat die ATEX-Richtlinie (Atmosphères Explosibles) als nationale EN 13463 in Kraft, wonach europaweit auch nichtelektrische Geräte für den Ex-Bereich zugelassen sein müssen. Die Vorschrift besagt, dass Geräte und Komponenten, die zur Erzeugung, Übertragung, Speicherung, Messung, Regelung und Umwandlung von Energien und zur Verarbeitung von Werkstoffen verwendet werden und eigene potenzielle Zündquellen aufweisen, bewertet und auch richtig gekennzeichnet werden müssen. Der wesentliche Punkt hierbei ist, dass die geforderte Zulassung für den Ex-Bereich auch dann gilt, wenn die Geräte gar nicht in diesem Bereich installiert werden, aber für den sicheren Betrieb der Anlage erforderlich sind!

Für den Kunden stehen Sicherheit und Qualität an erster Stelle. Der Hersteller muss diese durch eine Konformitätserklärung von einem zertifizierungsfähigen Institut wie beispielsweise DMT oder IBExU und eine entsprechende Fertigung nach ISO 9001 nachweisen. Was die CE- Kennzeichnung angeht, so ist der Erwerb für den Hersteller zwar etwas mühsam, dafür sind dann aber auch Einzelabnahmen durch Sachverständige nicht mehr notwendig. Für den Einkäufer und letztlich den Anwender wird es problemloser, denn er muss – ähnlich wie beim CE-Zeichen – nur eine Konformitätserklärung nach ATEX vom Hersteller fordern und im Schadensfall geht die Haftung sogar auf diesen über, denn er trägt die alleinige Verantwortung für die Richtigkeit seiner Konformitätserklärung. Damit der Anwender auch weiß, was er mit der Anlieferung erhalten hat, ist eine sehr genaue Kennzeichnung vorgeschrieben. Jede einzelne Energieführungskette muss durch ein Typenschild gekennzeichnet sein: Mit dem Hersteller und seiner kompletten Anschrift, der Typenbezeichnung, dem Produktionstermin und der Klassifizierung nach der neuen Richtlinie. Außerdem müssen jeder Lieferung eine technische Bedienungsanleitung sowie die EG-Konformitätserklärung beiliegen, inklusive CE-Zeichen (CE Ex II 2GD). Zur optischen Unterscheidung und zur Vermeidung von Verwechslungen mit Standardwerkstoffen wurde für Energieführungsketten die Farbe grau vorgeschrieben. Nicht nur für die Hersteller, auch für die Lieferanten wird es ernst, denn durch die ATEX-Verordnung für den EU-Markt müssen auch Geräte, die nach Europa geliefert werden den geltenden Richtlinien entsprechen.  Dr. Peter Stipp

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