Projektowanie z myślą o zrównoważonym rozwoju z wykorzystaniem elektroniki drukowanej

Rządy na całym świecie bezpośrednio lub pośrednio zajmują się aspektem zrównoważonego rozwoju, choć w różnym stopniu i intensywności, nie mniej ze względu na niedawną inflację i międzynarodowe cła na łańcuchy dostaw. Wzywają producentów do redukcji odpadów, zużycia energii, chemikaliów oraz ogólnego wpływu na środowisko przez cały cykl życia produktów.

Cykl życia produktów elektronicznych stanowi branżę, która musi radzić sobie z toksycznymi materiałami takimi jak ołów, rtęć i kadm. Materiały niebezpieczne, które są niepalne, oraz rzadkie minerały ziemne takie jak lit, kobalt i złoto. Końcowym efektem jest ponad 53 miliony ton odpadów elektronicznych każdego roku, z czego szacuje się, że tylko 17% jest formalnie recyklingowane.

Przemysł elektroniczny tradycyjnie skupia się na technologii wytwarzania subtraktywnego w odniesieniu do płytek drukowanych, jednak dzięki zastosowaniu technologii wytwarzania addytywnego istnieje potencjał znacznego zmniejszenia odpadów, energii, eliminacji materiałów niebezpiecznych i poprawy recyklingu. W obliczu zaostrzających się przepisów środowiskowych i popytu na bardziej ekologiczne alternatywy, teraz może być czas, aby zbadać, jak elektronika drukowana może dostosować cele projektowe i zrównoważonego rozwoju. Altium strategicznie i aktywnie wspiera ten rozwój, angażując się w swoją bazę użytkowników, aby poprawić i rozwijać funkcje wspierające projektowanie elektroniczne dla zrównoważonego rozwoju.

Co to są elektronika drukowana?

Elektronika drukowana wykorzystuje techniki drukowania takie jak druk atramentowy, sitodruk, rotograwiura czy fleksografia do nanoszenia materiałów na elastyczne lub sztywne podłoża. Materiały te mogą obejmować tusze przewodzące, warstwy półprzewodnikowe i dielektryczne izolatory, które współpracują, tworząc obwody, czujniki, anteny i inne komponenty elektroniczne.

Te komponenty są zazwyczaj drukowane na podłożach takich jak PET (polietylen tereftalanowy), papier czy biodegradowalne polimery, co umożliwia tworzenie lekkich i elastycznych produktów przy zmniejszonym zużyciu materiałów. Zastosowania obejmują od monitorów zdrowia do noszenia po elastyczne panele słoneczne, umożliwiając nowe formy i zastosowania. Jedną z kluczowych zalet elektroniki drukowanej jest jej wrodzony mniejszy wpływ na środowisko, co zwiększa możliwości dla zrównoważonej innowacji.

Dlaczego wytwarzanie addytywne jest bardziej zrównoważone niż subtraktywne?

Aby to zrozumieć, należy zbadać fundamentalną różnicę w technologiach produkcyjnych, mianowicie proces wytwarzania addytywnego w porównaniu do subtraktywnego.

Produkcja subtrakcyjna, która stanowi ponad 99% konwencjonalnej produkcji PCB, rozpoczyna się od użycia stałego materiału, jakim jest miedziane pokrycie FR4 (laminat epoksydowy wzmacniany włóknem szklanym). Pożądany wzór obwodu jest tworzony przez wytrawianie nadmiaru miedzi przy użyciu silnych chemikaliów, takich jak chlorek żelaza czy persulfat amonu. Generuje to duże ilości niebezpiecznych odpadów i chemikaliów, które wymagają oczyszczania wody i bezpiecznego usuwania. Względna złożoność projektu PCB zwiększa liczbę warstw lub procesów trawienia, co dodatkowo zwiększa wpływ na zrównoważony rozwój aparatury elektronicznej.

Proces produkcji addytywnej stosowanej w elektronice drukowanej, buduje obwody poprzez nanoszenie materiałów tylko tam, gdzie są potrzebne. Bez trawienia, bez usuwania powłok, bez kąpieli galwanicznych, ale z precyzyjnym drukowaniem funkcjonalnych tuszów bezpośrednio na podłożu, dodawanych tylko tam, gdzie są potrzebne. Znacząco to redukuje ślad ekologiczny procesu produkcyjnego na kilka sposobów, opisanych poniżej.

Zmniejszenie ilości odpadów

Eliminacja potrzeby stosowania chemicznego trawienia i galwanizacji, elektronika drukowana redukuje odpady stałe, ścieki i emisje do atmosfery. Konwencjonalna produkcja PCB wiąże się z etapami płukania, toksycznymi metalami i dużym zużyciem wody, co przyczynia się zarówno do zagrożeń środowiskowych, jak i potencjalnych zagrożeń dla zdrowia. Produkcja addytywna może skutkować brakiem odpadów materiałowych z cięcia lub trawienia oraz brakiem kąpieli chemicznych.

Wydajność energetyczna

Procesy elektroniki drukowanej działają w niższych temperaturach i dlatego wymagają mniej energii niż subtraktywna produkcja PCB, która obejmuje laminowanie w wysokiej temperaturze, różne ciepłe kąpiele niebezpieczne, utwardzanie, wiercenie i powlekanie. Widocznym rezultatem jest niższy ślad węglowy na jednostkę wyprodukowaną. Sprawia to, że elektronika drukowana jest atrakcyjną opcją dla firmy, która może zastosować technikę produkcji addytywnej dla swoich produktów, standardów branżowych, wymagań klientów i wymogów rządowych.

Brak Powlekania

Jednym z głównych negatywnych czynników środowiskowych produkcji PCB jest proces elektroplaterowania używany do osadzania metalu na ścieżkach obwodów lub przelotkach. Wymaga to wysoko przewodzących elektrolitów, takich jak miedź, nikiel lub złoto, a proces zużywa duże ilości energii elektrycznej.

Elektronika drukowana naturalnie całkowicie eliminuje ten proces. Ścieżki przewodzące są tworzone bezpośrednio z drukowanych tuszy przewodzących, takich jak srebro lub węgiel, w temperaturze pokojowej lub umiarkowanej. Eliminacja powlekania upraszcza produkcję, redukuje toksyczność, zwiększa bezpieczeństwo i wymaga znacznie mniejszej przestrzeni operacyjnej.

Zarządzanie Cyklem Życia Elektroniki

Utylizacja i recykling PCB wyprodukowanych z użyciem technologii subtraktywnej, zazwyczaj wykonanych z FR4, materiału, który jest zarówno niebiodegradowalny, jak i trudny do recyklingu, są energochłonne i często ekonomicznie nieopłacalne, co skutkuje powstawaniem elektrośmieci lub spalaniem z znacznym zużyciem energii.

Elektronika drukowana może wykorzystywać podłoża, które łatwiej odzyskać lub które są biodegradowalne, takie jak papier czy kompostowalne tworzywa sztuczne. Jednak należy upewnić się, że te materiały posiadają odpowiednie zatwierdzenia w odniesieniu do użytkowania i branży.  Ponieważ materiały nie są laminowane w wielowarstwowych konstrukcjach, demontaż i odzysk materiałów stają się znacznie prostsze.

Projektowanie z myślą o zrównoważonym rozwoju lub projektowanie cyrkularne

Elektronika drukowana otwiera drzwi do projektowania cyrkularnego, potencjalnie pozwalając właścicielowi produktu na wybór podłoży recyklingowalnych lub biodegradowalnych, używanie nietoksycznych materiałów o niskim wpływie jako tusze, oraz stosowanie projektowania z myślą o zamkniętym obiegu recyklingu i demontażu, co wspiera zarządzanie cyklem życia elektroniki od kołyski do kołyski.

Zarządzanie cyklem życia produktu w odniesieniu do końca życia i w konsekwencji recyklingu, stanowi obszar szczególnego zainteresowania i potencjalnych znaczących postępów w zrównoważonym rozwoju. Skład materiałowy elektroniki drukowanej pozwala na bardziej zrównoważone metody recyklingu z większą ilością materiałów nadających się do recyklingu, zmniejszonym zużyciem energii, ponieważ jest mniej rodzajów zaawansowanych materiałów do oddzielenia, oraz mniejszą emisją toksycznych substancji do powietrza.

Faktyczne przypadki już zmieniające branżę

Firmy zajmujące się inteligentnym opakowaniem wbudowują drukowane czujniki, które monitorują temperaturę, wilgotność lub manipulację, używając podłoży papierowych, które są w pełni recyklingowalne, umożliwiając inteligentne opakowania bez zwiększania ilości elektrośmieci.

Urządzenia do opieki zdrowotnej noszone na ciele lub "elektroniczny pajęczyna jedwabna" mogą być drukowane bezpośrednio na ludzkiej skórze przy użyciu kompatybilnych ze skórą, elastycznych czujników wykonanych metodą druku dodatkowego na biodegradowalnych materiałach, oferując diagnostykę w czasie rzeczywistym bez przyczyniania się do zanieczyszczenia plastikiem.

Firmy zajmujące się energią słoneczną badają drukowane fotowoltaiki na podłożach z plastiku lub tekstyliów, umożliwiając lekkie, niskokosztowe i nadające się do recyklingu panele słoneczne odpowiednie do przenośnego lub awaryjnego zasilania.

Drukowana elektronika i wyzwania do pokonania

Zalety zrównoważonego rozwoju drukowanej elektroniki są oczywiste, jednak wciąż pozostają wyzwania. Atramenty przewodzące, szczególnie srebrne mogą być drogie, a całkowity wpływ na środowisko zależy od źródła materiałów. Trwałość mechaniczna, miniaturyzacja i przewodność drukowanej elektroniki również ciągle ewoluują w porównaniu do tradycyjnych, odejmujących płytek drukowanych.

Postępy w nauce o materiałach i ekonomii skali nieuchronnie sprawią, że drukowana elektronika stanie się coraz bardziej powszechna. Nowe rozwinięcia w dziedzinie grafenu, organicznych półprzewodników i nadających się do recyklingu przewodzących polimerów jeszcze bardziej przechylają szalę na korzyść zrównoważonych rozwiązań.

Zmiany regulacyjne, świadomość konsumentów i presja inwestorów będą tylko kontynuować napędzanie potrzeby ekologicznej produkcji, a drukowana elektronika oferuje sposób na spełnienie tych wymagań bez kompromisu w zakresie funkcjonalności czy wydajności.

Wnioski: Projektowanie z myślą o zrównoważonym rozwoju

Elektronika drukowana stanowi przełomową technologię i, co za tym idzie, zmianę paradygmatu w zakresie innowacji i projektowania elektroniki, produkcji oraz organizacji cyklu życia elektroniki. Poprzez przyjęcie dodatkowego, niskoemisyjnego podejścia środowiskowego, inżynierowie i właściciele produktów mogą projektować produkty, traktując zrównoważony rozwój jako kluczowy składnik.

Innowacja techniczna, jaką jest elektronika drukowana, stanowi realne rozwiązanie wspierające rosnące globalne wyzwania środowiskowe i surowsze regulacje. Ułatwienie recyklingu i redukcja toksycznych odpadów dodatkowo wspierają zrównoważoność gospodarki obiegu zamkniętego.

Odkryj, jak Altium Designer wspiera elektronikę drukowaną.