Diseño para la Sostenibilidad con Electrónica Impresa
Los gobiernos de todo el mundo están abordando directa o indirectamente el aspecto de la sostenibilidad, aunque en grados e intensidades variables, no menos en lo que respecta a la reciente inflación y los aranceles en la cadena de suministro internacional. Están haciendo un llamado a los fabricantes para que reduzcan los desechos, el consumo de energía, los químicos y su impacto ambiental general a lo largo del ciclo de vida de los productos.
El ciclo de vida del producto electrónico constituye una industria que debe manejar materiales tóxicos como el plomo, el mercurio y el cadmio. Materiales peligrosos que son retardantes de llama, y minerales de tierras raras como el litio, el cobalto y el oro. El resultado final es más de 53 millones de toneladas de residuos electrónicos cada año, con un estimado del 17% para ser reciclado formalmente.
La industria electrónica ha tenido un enfoque tradicional en la tecnología de fabricación sustractiva en lo que respecta a las placas de circuito impreso, sin embargo, al emplear la tecnología de fabricación aditiva, existe un potencial para reducir significativamente los desechos, la energía, eliminar materiales peligrosos y mejorar la reciclabilidad. Con el endurecimiento de las regulaciones ambientales y la demanda de alternativas más verdes, ahora puede ser el momento de explorar cómo la electrónica impresa puede alinear los objetivos de diseño y sostenibilidad. Altium está apoyando estratégica y activamente este desarrollo al interactuar con su base de usuarios para mejorar y desarrollar características que apoyen el diseño electrónico para la sostenibilidad.
¿Qué son la Electrónica Impresa?
La electrónica impresa involucra el uso de técnicas de impresión como la inyección de tinta, serigrafía, huecograbado o impresión flexográfica para depositar materiales sobre sustratos flexibles o rígidos. Estos materiales pueden incluir tintas conductoras, capas semiconductoras y aislantes dieléctricos, que trabajan juntos para crear circuitos, sensores, antenas y otros componentes electrónicos.
Estos componentes generalmente se imprimen en sustratos como PET (tereftalato de polietileno), papel o polímeros biodegradables, lo que permite productos ligeros y flexibles con un consumo de material reducido. Las aplicaciones van desde monitores de salud portátiles hasta paneles solares flexibles, habilitando nuevos factores de forma y aplicaciones. Una de las principales ventajas de la electrónica impresa es su inherente reducción de la huella ambiental, aumentando la posibilidad de innovación sostenible.
¿Por qué es más sostenible la fabricación aditiva frente a la sustractiva?
Para entender esto, se debe examinar la diferencia fundamental en las tecnologías de fabricación, a saber, el proceso de fabricación aditivo versus el sustractivo.
La fabricación sustractiva, que constituye más del 99% de la fabricación convencional de PCB, comienza con un material sólido como el FR4 revestido de cobre (laminado epoxi reforzado con fibra de vidrio). El patrón de circuito deseado se crea eliminando el exceso de cobre usando químicos agresivos como el cloruro férrico o el persulfato de amonio. Esto genera grandes cantidades de residuos peligrosos y químicos que requieren tratamiento de agua y disposición segura. La complejidad relativa del diseño del PCB aumentará consecuentemente el número de capas o procesos de grabado y esto aumentará aún más el impacto en la sostenibilidad del aparato electrónico.
El proceso de manufactura aditiva empleado para la electrónica impresa, construye la circuitería depositando materiales solo donde se necesita. Sin grabado, sin desmontaje, sin baños de galvanoplastia, sino impresión precisa de tintas funcionales directamente sobre un sustrato, solo añadido donde se necesita. Esto reduce significativamente la huella ambiental del proceso de producción de varias maneras como se describe a continuación.
Reducción de Residuos
Eliminando la necesidad de grabado químico y galvanoplastia, la electrónica impresa reduce los residuos sólidos, los efluentes líquidos y las emisiones al aire. La producción convencional de PCB implica etapas de enjuague, metales tóxicos y un uso intensivo de agua, lo que contribuye tanto a peligros ambientales como potenciales para la salud. La manufactura aditiva puede resultar en cero desperdicio de material por corte o grabado, y sin baños químicos.
Eficiencia Energética
Los procesos de electrónica impresa operan a temperaturas más bajas y, por lo tanto, requieren menos energía que la fabricación de PCBs por métodos sustractivos, que involucra laminación a alta temperatura, diferentes baños peligrosos cálidos, curado, perforación y chapado. El resultado evidente es una huella de carbono más baja por unidad producida. Esto hace que la electrónica impresa sea una opción atractiva para una empresa, que puede emplear la técnica de fabricación aditiva para sus productos, estándares de la industria, demandas de los clientes y requisitos gubernamentales.
Sin Chapado
Uno de los principales factores negativos ambientales de la fabricación de PCB es el proceso de electrochapado utilizado para depositar metal en las vías o caminos de circuitos. Esto requiere electrolitos altamente conductivos como cobre, níquel o oro y el proceso consume grandes cantidades de electricidad.
La electrónica impresa alivia naturalmente este proceso por completo. Las trazas conductoras se crean directamente con tintas conductoras impresas como plata o carbono, a temperatura ambiente o moderada. La eliminación del chapado simplifica la producción, reduce la toxicidad, mejora la seguridad y requiere significativamente menos espacio operativo.
Gestión del Ciclo de Vida Electrónico
La disposición final y el reciclaje de PCBs fabricados con el proceso de tecnología sustractiva, típicamente hechos de FR4, un material que es tanto no biodegradable como difícil de reciclar. Separar los metales y recuperar materiales de PCBs basados en FR4 es intensivo en energía y a menudo económicamente inviable, resultando en residuos electrónicos o incineración con un consumo de energía significativo.
La electrónica impresa puede utilizar sustratos que son más fáciles de recuperar o biodegradar, como el papel o los plásticos compostables. Sin embargo, es necesario asegurarse de que estos materiales cuenten con las aprobaciones adecuadas en cuanto a uso e industria. Dado que los materiales no están laminados en construcciones multicapa, el desmontaje y la recuperación de materiales se vuelven mucho más simples.
Diseño para la Sostenibilidad o Diseño Circular
La electrónica impresa abre la puerta al diseño circular al permitir potencialmente que el propietario del producto elija sustratos reciclables o biodegradables, utilice materiales no tóxicos de bajo impacto como tintas, y emplee un diseño para un reciclaje y desmontaje en bucle cerrado que apoye la gestión del ciclo de vida electrónico de cuna a cuna.
La gestión del ciclo de vida del producto en relación con el fin de su vida útil y, por consiguiente, el reciclaje, constituye un área de particular interés y potencial avance significativo en sostenibilidad. La composición del material electrónico impreso permite métodos de reciclaje más sostenibles con una mayor cantidad de materiales reciclables, reducción del consumo de energía ya que hay menos tipos de materiales avanzados que separar, y menos emisiones tóxicas al aire.
Casos Fácticos que Ya Están Cambiando la Industria
Las empresas de embalaje inteligente están incorporando sensores impresos que monitorean la temperatura, humedad o manipulación indebida, utilizando sustratos de papel que son completamente reciclables, permitiendo un embalaje inteligente sin aumentar los residuos electrónicos.
Los dispositivos de atención médica portátiles o "seda de araña electrónica" pueden imprimirse directamente sobre la piel humana utilizando sensores flexibles compatibles con la piel hechos mediante impresión aditiva sobre materiales biodegradables, para ofrecer diagnósticos en tiempo real sin contribuir a la contaminación por plásticos.
Las empresas de energía solar están explorando fotovoltaicos impresos sobre sustratos de plástico o textil, lo que permite paneles solares ligeros, de bajo costo y reciclables adecuados para energía portátil o de emergencia.
Electrónica impresa y desafíos a superar
Las ventajas de sostenibilidad de la electrónica impresa son evidentes, sin embargo, aún quedan desafíos. Las tintas conductoras, específicamente la plata pueden ser costosas, y el impacto ambiental total depende del origen de los materiales. La durabilidad mecánica, la miniaturización y la conductividad de la electrónica impresa también están evolucionando continuamente en comparación con las tradicionales placas de circuito impreso por sustracción.
Los avances en ciencia de materiales y las economías de escala inevitablemente resultarán en que la electrónica impresa se vuelva cada vez más convencional. Nuevos desarrollos en grafeno, semiconductores orgánicos y polímeros conductivos reciclables están inclinando aún más la balanza a favor de soluciones sostenibles.
Los cambios regulatorios, la conciencia del consumidor y la presión de los inversores solo continuarán impulsando la necesidad de fabricación ecológica, y la electrónica impresa ofrece una manera de satisfacer esas demandas sin comprometer la funcionalidad o el rendimiento.
Conclusión: Diseño para la Sostenibilidad
La electrónica impresa representa una tecnología disruptiva y, por lo tanto, un cambio de paradigma en cuanto a cómo podemos innovar y diseñar electrónica, fabricación y organizar el ciclo de vida electrónico. Al adoptar un enfoque aditivo de bajo impacto ambiental, los ingenieros y propietarios de productos pueden diseñar productos con la sostenibilidad como un ingrediente clave.
Una innovación técnica como la electrónica impresa es una solución viable para apoyar los crecientes desafíos ambientales globales y las regulaciones más estrictas. La facilitación del reciclaje y la reducción de residuos tóxicos apoyarán aún más la sostenibilidad de la economía circular.
