Progettazione per la sostenibilità con l'elettronica stampata

I governi di tutto il mondo stanno affrontando direttamente o indirettamente l'aspetto della sostenibilità, sebbene in misura e intensità variabili, non da ultimo rispetto alla recente inflazione e alle tariffe internazionali della catena di approvvigionamento. Essi stanno invitando i produttori a ridurre i rifiuti, il consumo energetico, le sostanze chimiche e l'impatto ambientale generale lungo il ciclo di vita dei prodotti. 

Il ciclo di vita dei prodotti elettronici costituisce un'industria che deve gestire materiali tossici come piombo, mercurio e cadmio. Materiali pericolosi che sono ritardanti di fiamma, e minerali di terre rare come litio, cobalto e oro. Il risultato finale è oltre 53 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici ogni anno, con una stima del 17% da riciclare formalmente. 

L'industria elettronica ha un focus tradizionale sulla tecnologia di fabbricazione sottrattiva per quanto riguarda i circuiti stampati, tuttavia, impiegando la tecnologia di fabbricazione additiva, c'è il potenziale per ridurre significativamente i rifiuti, l'energia, eliminare materiali pericolosi e migliorare la riciclabilità. Con il restringimento delle normative ambientali e la domanda di alternative più verdi, ora può essere il momento di esplorare come l'elettronica stampata possa allineare gli obiettivi di design e sostenibilità. Altium sta sostenendo strategicamente e attivamente questo sviluppo impegnandosi con la sua base di utenti per migliorare e sviluppare funzionalità a supporto del design elettronico per la sostenibilità.

Cosa sono l'Elettronica Stampata?

L'elettronica stampata impiega tecniche di stampa come l'inkjet, la serigrafia, la rotocalcografia o la stampa flexografica per depositare materiali su substrati flessibili o rigidi. Questi materiali possono includere inchiostri conduttivi, strati semiconduttori e isolanti dielettrici, che lavorano insieme per creare circuiti, sensori, antenne e altri componenti elettronici.

Questi componenti sono tipicamente stampati su substrati come il PET (tereftalato di polietilene), carta o polimeri biodegradabili, consentendo prodotti leggeri e flessibili con un consumo ridotto di materiali. Le applicazioni vanno dai monitor per la salute indossabili ai pannelli solari flessibili, abilitando nuove forme e applicazioni. Uno dei principali vantaggi dell'elettronica stampata è la sua ridotta impronta ambientale, aumentando la possibilità per un'innovazione sostenibile.

Perché la fabbricazione additiva rispetto a quella sottrattiva è più sostenibile?

Per capire ciò, è necessario esaminare la differenza fondamentale nelle tecnologie di fabbricazione, ovvero il processo di fabbricazione additiva rispetto a quello sottrattivo.

La produzione sottrattiva, che costituisce oltre il 99% della fabbricazione convenzionale delle PCB, inizia con un materiale solido come il FR4 rivestito di rame (laminato epossidico rinforzato con fibra di vetro). Il modello di circuito desiderato viene creato incidendo via l'eccesso di rame utilizzando sostanze chimiche aggressive come il cloruro ferrico o il persolfato di ammonio. Questo genera grandi quantità di rifiuti pericolosi e sostanze chimiche che richiedono trattamento dell'acqua e smaltimento sicuro. La complessità relativa del design della PCB aumenterà conseguentemente il numero di strati o processi di incisione e ciò aumenterà ulteriormente l'impatto sulla sostenibilità dell'apparato elettronico.

Il processo di produzione additiva utilizzato per l'elettronica stampata, costruisce la circuitazione depositando i materiali solo dove necessario. Nessuna incisione, nessuna rimozione, nessun bagno di placcatura, ma la stampa di precisione di inchiostri funzionali direttamente su un substrato, aggiunti solo dove necessario. Ciò riduce significativamente l'impronta ambientale del processo produttivo in diversi modi come descritto di seguito.

Riduzione dei Rifiuti

Eliminando la necessità di incisione chimica e placcatura, l'elettronica stampata riduce i rifiuti solidi, gli effluenti liquidi e le emissioni in atmosfera. La produzione convenzionale di PCB coinvolge fasi di risciacquo, metalli tossici e un elevato utilizzo di acqua, che contribuiscono sia ai pericoli ambientali che a quelli potenziali per la salute. La produzione additiva può risultare in nessuno spreco di materiale da taglio o incisione, e nessun bagno chimico.

Efficienza Energetica

I processi di stampa elettronica operano a temperature più basse e quindi richiedono meno energia rispetto alla fabbricazione di PCB sottrattiva, che coinvolge laminazione ad alta temperatura, diversi bagni pericolosi caldi, indurimento, foratura e placcatura. Il risultato evidente è un'impronta di carbonio inferiore per unità prodotta. Questo rende l'elettronica stampata un'opzione convincente per un'azienda, che può impiegare la tecnica di fabbricazione additiva per i suoi prodotti, standard industriali, richieste dei clienti e requisiti governativi.

Nessuna Placcatura

Uno dei principali fattori negativi ambientali della fabbricazione dei PCB è il processo di elettroplaccatura utilizzato per depositare metallo sui percorsi dei circuiti o sui via. Questo richiede elettroliti altamente conduttivi come rame, nichel o oro e il processo consuma grandi quantità di elettricità.

L'elettronica stampata allevia naturalmente completamente questo processo. Le tracce conduttive sono create direttamente con inchiostri conduttivi stampati come argento o carbonio, a temperatura ambiente o moderata. L'eliminazione della placcatura semplifica la produzione, riduce la tossicità, aumenta la sicurezza e richiede significativamente meno spazio operativo.

Gestione del Ciclo di Vita Elettronico

Lo smaltimento a fine vita e il riciclaggio dei PCB fabbricati con il processo tecnologico sottrattivo sono tipicamente realizzati in FR4, un materiale che è sia non biodegradabile che difficile da riciclare. Separare i metalli e recuperare materiali dai PCB basati su FR4 è energivoro e spesso economicamente non sostenibile, risultando in rifiuti elettronici o incenerimento con significativo consumo di energia.

L'elettronica stampata può utilizzare substrati più facili da recuperare o biodegradabili, come la carta o le plastiche compostabili. Tuttavia, è necessario assicurarsi che questi materiali abbiano le adeguate approvazioni riguardo all'uso e all'industria.  Poiché i materiali non sono laminati in costruzioni multistrato, lo smontaggio e il recupero dei materiali diventano molto più semplici.

Opportunità di progettazione per la sostenibilità o design circolare

L'elettronica stampata apre la porta al design circolare potenzialmente permettendo al proprietario del prodotto di scegliere substrati riciclabili o biodegradabili, utilizzare materiali non tossici e a basso impatto come inchiostri, e impiegare un design per un riciclo e smontaggio a ciclo chiuso che supporta la gestione del ciclo di vita elettronico dalla culla alla culla.

La gestione del ciclo di vita del prodotto in relazione alla fine della vita e di conseguenza al riciclaggio, costituisce un'area di particolare interesse e potenziale significativo avanzamento in termini di sostenibilità. La composizione del materiale elettronico stampato consente metodi di riciclaggio più sostenibili con una maggiore quantità di materiali riciclabili, un consumo energetico ridotto poiché ci sono meno tipi di materiali avanzati da separare, e minori emissioni tossiche nell'aria.

Casi reali che stanno già cambiando l'industria

Le aziende di imballaggi intelligenti stanno incorporando sensori stampati che monitorano temperatura, umidità o manomissioni, utilizzando substrati di carta che sono completamente riciclabili, consentendo un imballaggio intelligente senza aumentare i rifiuti elettronici.

Dispositivi sanitari indossabili o "seta elettronica di ragno" possono essere stampati direttamente sulla pelle umana utilizzando sensori flessibili compatibili con la pelle, realizzati tramite stampa additiva su materiali biodegradabili, per offrire diagnosi in tempo reale senza contribuire all'inquinamento da plastica.

Le aziende del settore dell'energia solare stanno esplorando fotovoltaici stampati su substrati di plastica o tessuto, consentendo pannelli solari leggeri, a basso costo e riciclabili, adatti per l'energia portatile o di emergenza.

Elettronica stampata e sfide da superare

I vantaggi in termini di sostenibilità dell'elettronica stampata sono evidenti, tuttavia permangono ancora delle sfide. Gli inchiostri conduttivi, in particolare l'argento, possono essere costosi, e l'impatto ambientale totale dipende dalla provenienza dei materiali. Anche la durabilità meccanica, la miniaturizzazione e la conducibilità dell'elettronica stampata sono in continua evoluzione rispetto ai tradizionali circuiti stampati sottrattivi.

Avanzamenti nella scienza dei materiali e le economie di scala porteranno inevitabilmente l'elettronica stampata a diventare sempre più mainstream. Nuovi sviluppi nel grafene, nei semiconduttori organici e nei polimeri conduttivi riciclabili stanno ulteriormente inclinando la bilancia a favore delle soluzioni sostenibili.

I cambiamenti normativi, la consapevolezza dei consumatori e la pressione degli investitori continueranno solo a guidare la necessità di una produzione ecocompatibile, e l'elettronica stampata offre un modo per soddisfare quelle esigenze senza compromettere la funzionalità o le prestazioni.

Conclusione: Progettare per la Sostenibilità

L'elettronica stampata rappresenta una tecnologia dirompente e, di conseguenza, un cambiamento di paradigma riguardo al modo in cui possiamo innovare e progettare l'elettronica, la produzione e organizzare il ciclo di vita elettronico. Adottando un approccio additivo e a basso impatto ambientale, ingegneri e proprietari di prodotti possono progettare prodotti con la sostenibilità come ingrediente chiave.

Un'innovazione tecnica come l'elettronica stampata è una soluzione praticabile per supportare le crescenti sfide ambientali globali e le normative più rigorose. La facilitazione della riciclabilità e la riduzione dei rifiuti tossici supporteranno ulteriormente la sostenibilità dell'economia circolare.

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