Design für Nachhaltigkeit mit gedruckter Elektronik

Regierungen weltweit adressieren direkt oder indirekt den Aspekt der Nachhaltigkeit, wenn auch in unterschiedlichem Maße und Intensität, nicht zuletzt aufgrund der jüngsten Inflation und internationalen Lieferkettenzölle. Sie fordern von den Herstellern, Abfall, Energieverbrauch, Chemikalien und ihre allgemeine Umweltauswirkung über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu reduzieren. 

Der Lebenszyklus elektronischer Produkte stellt eine Industrie dar, die toxische Materialien wie Blei, Quecksilber und Cadmium handhaben muss. Gefährliche Materialien, die flammhemmend sind, und seltene Erden wie Lithium, Kobalt und Gold. Das Endergebnis sind über 53 Millionen Tonnen Elektroschrott jedes Jahr, von denen geschätzt nur 17% formell recycelt werden. 

Die Elektronikindustrie hat traditionell einen Fokus auf subtraktive Fertigungstechnologien in Bezug auf gedruckte Schaltkarten, jedoch kann durch den Einsatz von additiven Fertigungstechnologien das Potenzial bestehen, Abfall, Energie zu reduzieren, gefährliche Materialien zu eliminieren und die Recycelbarkeit zu verbessern. Mit sich verschärfenden Umweltvorschriften und einer Nachfrage nach grüneren Alternativen, könnte jetzt der Zeitpunkt sein, zu erforschen, wie gedruckte Elektronik Design- und Nachhaltigkeitsziele in Einklang bringen kann. Altium unterstützt diese Entwicklung strategisch und aktiv, indem es sich mit seiner Nutzerbasis auseinandersetzt, um Funktionen zur Unterstützung des elektronischen Designs für Nachhaltigkeit zu verbessern und zu entwickeln.

Was sind gedruckte Elektroniken?

Gedruckte Elektronik beinhaltet den Einsatz von Drucktechniken wie Tintenstrahl-, Sieb-, Tief- oder Flexodruck, um Materialien auf flexible oder starre Substrate aufzutragen. Diese Materialien können leitfähige Tinten, halbleitende Schichten und dielektrische Isolatoren umfassen, die zusammenarbeiten, um Schaltkreise, Sensoren, Antennen und andere elektronische Komponenten zu erstellen.

Diese Komponenten werden typischerweise auf Substraten wie PET (Polyethylenterephthalat), Papier oder biologisch abbaubaren Polymeren gedruckt, was leichte und flexible Produkte mit reduziertem Materialverbrauch ermöglicht. Anwendungen reichen von tragbaren Gesundheitsmonitoren bis hin zu flexiblen Solarpaneelen, indem sie neue Formfaktoren und Anwendungen ermöglichen. Einer der SchlüsselVorteile der gedruckten Elektronik ist ihr inhärent reduzierter ökologischer Fußabdruck, was die Möglichkeit für nachhaltige Innovationen erhöht.

Warum ist additive im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung nachhaltiger?

Um dies zu verstehen, muss man den grundlegenden Unterschied in den Fertigungstechnologien betrachten, nämlich den additiven versus den subtraktiven Fertigungsprozess.

Subtraktive Fertigung, die über 99% der herkömmlichen PCB-Herstellung ausmacht, beginnt mit einem festen Material wie kupferkaschiertem FR4 (glasfaserverstärktem Epoxidharz-Laminat). Das gewünschte Schaltungsmuster wird durch das Wegätzen von überschüssigem Kupfer mit Hilfe von aggressiven Chemikalien wie Eisenchlorid oder Ammoniumpersulfat erzeugt. Dies führt zu großen Mengen gefährlicher Abfälle und Chemikalien, die eine Wasseraufbereitung und sichere Entsorgung erfordern. Die relative Designkomplexität der PCB wird folglich die Anzahl der Schichten oder Ätzprozesse erhöhen und dies wird den Nachhaltigkeitseinfluss des elektronischen Geräts weiter erhöhen.

Der Prozess der additiven Fertigung, der für gedruckte Elektronik verwendet wird, baut die Schaltkreise auf, indem Materialien nur dort abgelagert werden, wo sie benötigt werden. Kein Ätzen, kein Abstreifen, keine Galvanikbäder, sondern präzises Drucken von funktionalen Tinten direkt auf ein Substrat, nur dort hinzugefügt, wo es benötigt wird. Dies reduziert den ökologischen Fußabdruck des Produktionsprozesses auf mehrere Arten, wie unten beschrieben.

Abfallreduzierung

Die Notwendigkeit für chemisches Ätzen und Galvanisieren entfällt, gedruckte Elektronik reduziert festen Abfall, flüssige Effluente und luftgetragene Emissionen. Die herkömmliche PCB-Produktion beinhaltet Spülstufen, toxische Metalle und einen hohen Wasserverbrauch, die sowohl zu Umwelt- als auch potenziellen Gesundheitsgefahren beitragen. Die additive Fertigung kann zu keinem Materialabfall durch Schneiden oder Ätzen und keinen chemischen Bädern führen.

Energieeffizienz

Druckelektronik-Verfahren arbeiten bei niedrigeren Temperaturen und benötigen daher weniger Energie als die subtraktive Herstellung von Leiterplatten, die eine Hochtemperaturlaminierung, verschiedene warme gefährliche Bäder, Aushärtung, Bohrung und Beschichtung umfasst. Das offensichtliche Ergebnis ist ein geringerer Kohlenstoff-Fußabdruck pro produzierter Einheit. Dies macht die gedruckte Elektronik zu einer überzeugenden Option für ein Unternehmen, das die additive Fertigungstechnik für seine Produkte, Industriestandards, Kundenanforderungen und staatliche Vorgaben einsetzen kann.

Keine Beschichtung

Einer der größten umweltschädlichen Faktoren bei der Herstellung von Leiterplatten ist der Galvanisierungsprozess, der verwendet wird, um Metall auf Schaltungswege oder Durchkontaktierungen abzuscheiden. Dies erfordert hochleitfähige Elektrolyte wie Kupfer, Nickel oder Gold und der Prozess verbraucht große Mengen an Strom.

Die gedruckte Elektronik umgeht diesen Prozess vollständig. Leitfähige Spuren werden direkt mit gedruckten leitfähigen Tinten wie Silber oder Kohlenstoff bei Raum- oder moderaten Temperaturen erstellt. Die Eliminierung der Beschichtung vereinfacht die Produktion, reduziert die Toxizität, erhöht die Sicherheit und erfordert deutlich weniger Betriebsfläche.

Elektronisches Lebenszyklusmanagement

Die Entsorgung am Ende der Lebensdauer und das Recycling von Leiterplatten, die mit dem subtraktiven Technologieprozess hergestellt wurden, bestehen typischerweise aus FR4, einem Material, das sowohl nicht biologisch abbaubar als auch schwer zu recyceln ist. Die Trennung von Metallen und die Rückgewinnung von Materialien aus auf FR4 basierenden Leiterplatten ist energieintensiv und oft wirtschaftlich nicht rentabel, was zu Elektroschrott oder Verbrennung mit signifikantem Energieverbrauch führt.

Gedruckte Elektronik kann Substrate verwenden, die leichter zurückzugewinnen oder biologisch abbaubar sind, wie Papier oder kompostierbare Kunststoffe. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass diese Materialien die entsprechenden Genehmigungen in Bezug auf Verwendung und Industrie haben.  Da die Materialien nicht in Mehrlagenkonstruktionen laminiert sind, werden Demontage und Materialrückgewinnung wesentlich einfacher.

Design für Nachhaltigkeitschancen oder Kreislaufdesign

Gedruckte Elektronik eröffnet die Tür zum Kreislaufdesign, indem sie dem Produkteinhaber möglicherweise erlaubt, recycelbare oder biologisch abbaubare Substrate zu wählen, ungiftige Materialien mit geringer Auswirkung als Tinten zu verwenden und ein Design für ein geschlossenes Recycling und Demontage zu beschäftigen, das das Cradle-to-Cradle-Elektroniklebenszyklusmanagement unterstützt.

Das Produktlebenszyklusmanagement in Bezug auf das Lebensende und folglich Recycling stellt einen Bereich von besonderem Interesse und potenziell signifikanten Nachhaltigkeitsfortschritten dar. Die Zusammensetzung der gedruckten elektronischen Materialien ermöglicht nachhaltigere Recyclingmethoden mit einer höheren Menge an recycelbaren Materialien, reduziertem Energieverbrauch, da es weniger Arten von fortgeschrittenen Materialien zu trennen gibt, und weniger giftige Luftemissionen.

Faktische Fälle, die die Industrie bereits verändern

Unternehmen für intelligente Verpackungen integrieren gedruckte Sensoren, die Temperatur, Feuchtigkeit oder Manipulation überwachen, unter Verwendung von vollständig recycelbaren Papiersubstraten, was eine intelligente Verpackung ermöglicht, ohne den Elektroschrott zu erhöhen.

Tragbare Gesundheitsgeräte oder "elektronische Spinnenseide" können direkt auf der menschlichen Haut gedruckt werden, indem hautverträgliche, flexible Sensoren mittels additivem Druck auf biologisch abbaubaren Materialien verwendet werden, um Echtzeitdiagnostik zu bieten, ohne zur Plastikverschmutzung beizutragen.

Solarunternehmen erforschen gedruckte Photovoltaik auf Kunststoff- oder Textilsubstraten, was leichte, kostengünstige und recycelbare Solarpaneele ermöglicht, die für tragbare oder Notstromversorgung geeignet sind.

Gedruckte Elektronik und Herausforderungen, die es zu überwinden gilt

Die Nachhaltigkeitsvorteile gedruckter Elektronik sind offensichtlich, jedoch bleiben Herausforderungen bestehen. Leitfähige Tinten, insbesondere Silber, können teuer sein, und die gesamte Umweltauswirkung hängt von der Materialbeschaffung ab. Die mechanische Haltbarkeit, Miniaturisierung und die Leitfähigkeit gedruckter Elektronik entwickelt sich auch kontinuierlich im Vergleich zu traditionellen subtraktiven gedruckten Schaltkarten.

Fortschritte in der Materialwissenschaft und Skaleneffekte werden unweigerlich dazu führen, dass gedruckte Elektronik zunehmend Mainstream wird. Neue Entwicklungen bei Graphen, organischen Halbleitern und recycelbaren leitfähigen Polymeren kippen die Waage weiter zugunsten nachhaltiger Lösungen.

Regulatorische Veränderungen, Verbraucherbewusstsein und Investorendruck werden nur weiterhin den Bedarf an umweltfreundlicher Herstellung antreiben, und gedruckte Elektronik bietet eine Möglichkeit, diesen Anforderungen zu entsprechen, ohne bei Funktionalität oder Leistung Kompromisse einzugehen.

Schlussfolgerung: Design für Nachhaltigkeit

Gedruckte Elektronik stellt eine bahnbrechende Technologie dar und führt folglich zu einem Paradigmenwechsel in Bezug darauf, wie wir Elektronik, deren Herstellung und die Organisation des Elektroniklebenszyklus innovieren und gestalten können. Durch die Annahme eines additiven, umweltschonenden Ansatzes können Ingenieure und Produktbesitzer Produkte mit Nachhaltigkeit als einem Schlüsselelement entwerfen.

Eine technische Innovation wie gedruckte Elektronik ist eine praktikable Lösung, um die wachsenden globalen Umweltherausforderungen und strengeren Vorschriften zu unterstützen. Die Erleichterung der Recycelbarkeit und die Reduzierung von giftigem Abfall werden die Nachhaltigkeit der Kreislaufwirtschaft weiter unterstützen.

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