Projeto para Sustentabilidade com Eletrônicos Impressos
Os governos ao redor do globo estão abordando direta ou indiretamente o aspecto da sustentabilidade, embora em graus e intensidades variados, não menos em relação à recente inflação e tarifas internacionais da cadeia de suprimentos. Eles estão convocando os fabricantes a reduzir o desperdício, o consumo de energia, produtos químicos e o impacto ambiental geral ao longo do ciclo de vida dos produtos.
O ciclo de vida do produto eletrônico constitui uma indústria que deve lidar com materiais tóxicos como chumbo, mercúrio e cádmio. Materiais perigosos que são retardantes de chama, e minerais de terras raras como lítio, cobalto e ouro. O resultado final é mais de 53 milhões de toneladas de resíduos eletrônicos a cada ano, com uma estimativa de 17% a serem reciclados formalmente.
A indústria eletrônica tem um foco tradicional na tecnologia de fabricação subtrativa em relação a placas de circuito impresso, no entanto, ao empregar a tecnologia de fabricação aditiva, há um potencial para reduzir significativamente o desperdício, a energia, eliminar materiais perigosos e melhorar a reciclabilidade. Com o aperto das regulamentações ambientais e a demanda por alternativas mais verdes, agora pode ser o momento de explorar como a eletrônica impressa pode alinhar os objetivos de design e sustentabilidade. A Altium está estrategicamente e ativamente apoiando esse desenvolvimento ao se engajar com sua base de usuários para melhorar e desenvolver recursos que suportem o design eletrônico para a sustentabilidade.
O Que São Eletrônicos Impressos?
Eletrônicos impressos envolvem o uso de técnicas de impressão como jato de tinta, serigrafia, gravura ou impressão flexográfica para depositar materiais em substratos flexíveis ou rígidos. Esses materiais podem incluir tintas condutivas, camadas semicondutoras e isolantes dielétricos, que trabalham juntos para criar circuitos, sensores, antenas e outros componentes eletrônicos.
Esses componentes são tipicamente impressos em substratos como PET (tereftalato de polietileno), papel ou polímeros biodegradáveis, possibilitando produtos leves e flexíveis com redução no consumo de materiais. As aplicações variam desde monitores de saúde vestíveis até painéis solares flexíveis, possibilitando novos formatos e aplicações. Uma das principais vantagens da eletrônica impressa é sua reduzida pegada ambiental inerente, aumentando a possibilidade para inovação sustentável.
Por Que a Fabricação Aditiva Versus Subtrativa é Mais Sustentável?
Para entender isso, deve-se examinar a diferença fundamental nas tecnologias de fabricação, nomeadamente o processo de fabricação aditiva versus subtrativa.
A fabricação subtrativa, que constitui mais de 99% da fabricação convencional de PCBs, começa com um material sólido como o FR4 revestido de cobre (laminado de epóxi reforçado com fibra de vidro). O padrão de circuito desejado é criado pela remoção do excesso de cobre usando produtos químicos agressivos como cloreto férrico ou persulfato de amônio. Isso gera grandes quantidades de resíduos perigosos e produtos químicos que requerem tratamento de água e descarte seguro. A complexidade relativa do design do PCB consequentemente aumentará o número de camadas ou processos de gravação e isso aumentará ainda mais o impacto na sustentabilidade do aparelho eletrônico.
O processo de manufatura aditiva empregado para eletrônicos impressos, constrói a circuitaria depositando materiais apenas onde é necessário. Sem gravação, sem decapagem, sem banhos de galvanização, mas impressão precisa de tintas funcionais diretamente sobre um substrato, adicionado apenas onde é necessário. Isso reduz significativamente a pegada ambiental do processo de produção de várias maneiras, conforme descrito abaixo.
Redução de Resíduos
Eliminando a necessidade de gravação química e galvanização, os eletrônicos impressos reduzem resíduos sólidos, efluentes líquidos e emissões para o ar. A produção convencional de PCB envolve etapas de enxágue, metais tóxicos e uso intensivo de água, que contribuem tanto para perigos ambientais quanto potenciais riscos à saúde. A manufatura aditiva pode resultar em nenhum desperdício de material de corte ou gravação, e sem banhos químicos.
Eficiência Energética
Os processos de eletrônica impressa operam em temperaturas mais baixas e, portanto, requerem menos energia do que a fabricação de PCBs subtrativa, que envolve laminação em alta temperatura, diferentes banhos quentes perigosos, cura, perfuração e galvanoplastia. O resultado evidente é uma pegada de carbono menor por unidade produzida. Isso torna a eletrônica impressa uma opção atraente para uma empresa, que pode empregar a técnica de fabricação aditiva para seus produtos, padrões da indústria, demandas dos clientes e requisitos governamentais.
Sem Galvanização
Um dos principais impactos ambientais negativos da fabricação de PCB é o processo de eletrodeposição usado para depositar metal nos caminhos dos circuitos ou vias. Isso requer eletrólitos altamente condutivos como cobre, níquel ou ouro e o processo consome grandes quantidades de eletricidade.
A eletrônica impressa naturalmente alivia completamente esse processo. Trilhas condutivas são criadas diretamente com tintas condutivas impressas, como prata ou carbono, em temperatura ambiente ou moderada. A eliminação da galvanização simplifica a produção, reduz a toxicidade, aumenta a segurança e requer significativamente menos espaço operacional.
Gestão do Ciclo de Vida Eletrônico
O descarte e reciclagem no fim da vida útil de PCBs fabricados com o processo de tecnologia subtrativa são tipicamente feitos a partir de FR4, um material que é ao mesmo tempo não biodegradável e difícil de reciclar. Separar metais e recuperar materiais de PCBs baseados em FR4 é intensivo em energia e muitas vezes economicamente inviável, resultando em lixo eletrônico ou incineração com significativo consumo de energia.
A eletrônica impressa pode utilizar substratos mais fáceis de recuperar ou biodegradáveis, como papel ou plásticos compostáveis. No entanto, deve-se garantir que esses materiais tenham as aprovações adequadas em relação ao uso e à indústria. Como os materiais não são laminados em construções multicamadas, a desmontagem e a recuperação de materiais tornam-se muito mais simples.
Design para Oportunidades de Sustentabilidade ou Design Circular
A eletrônica impressa abre a porta para o design circular, permitindo potencialmente que o proprietário do produto escolha substratos recicláveis ou biodegradáveis, use materiais de baixo impacto e não tóxicos como tintas, e empregue um design para reciclagem em circuito fechado e desmontagem que suporta a gestão do ciclo de vida eletrônico do berço ao berço.
A gestão do ciclo de vida do produto em relação ao fim da vida e, consequentemente, à reciclagem, constitui uma área de particular interesse e potencial avanço significativo em sustentabilidade. A composição do material eletrônico impresso permite métodos de reciclagem mais sustentáveis com uma maior quantidade de materiais recicláveis, redução do consumo de energia, pois há menos tipos de materiais avançados para separar, e menos emissão de ar tóxico.
Casos Fácticos Já Mudando a Indústria
Empresas de embalagens inteligentes estão incorporando sensores impressos que monitoram temperatura, umidade ou violação, usando substratos de papel que são totalmente recicláveis, possibilitando embalagens inteligentes sem aumentar o lixo eletrônico.
Dispositivos de saúde vestíveis ou "seda eletrônica de aranha" podem ser impressos diretamente na pele humana usando sensores flexíveis compatíveis com a pele, feitos por impressão aditiva em materiais biodegradáveis, para oferecer diagnósticos em tempo real sem contribuir para a poluição plástica.
Empresas de energia solar estão explorando fotovoltaicos impressos em substratos de plástico ou têxteis, possibilitando painéis solares leves, de baixo custo e recicláveis, adequados para energia portátil ou de emergência.
Eletrônicos Impressos e Desafios a Superar
As vantagens de sustentabilidade dos eletrônicos impressos são evidentes, no entanto, ainda existem desafios. Tintas condutivas, especificamente a prata, podem ser caras, e o impacto ambiental total depende da origem dos materiais. A durabilidade mecânica, miniaturização e a condutividade dos eletrônicos impressos também estão continuamente evoluindo em comparação com as tradicionais placas de circuito impresso subtrativas.
Avanços na ciência dos materiais e economias de escala inevitavelmente resultarão em eletrônicos impressos se tornando cada vez mais convencionais. Novos desenvolvimentos em grafeno, semicondutores orgânicos e polímeros condutivos recicláveis estão inclinando ainda mais a balança a favor de soluções sustentáveis.
Mudanças regulatórias, conscientização do consumidor e pressão dos investidores só continuarão a impulsionar a necessidade de fabricação ecológica, e os eletrônicos impressos oferecem uma maneira de atender a essas demandas sem comprometer a funcionalidade ou o desempenho.
Conclusão: Design para Sustentabilidade
A eletrônica impressa representa uma tecnologia disruptiva e, consequentemente, uma mudança de paradigma sobre como podemos inovar e projetar eletrônicos, fabricação e organizar o ciclo de vida eletrônico. Ao adotar uma abordagem aditiva, de baixo impacto ambiental, engenheiros e proprietários de produtos podem projetar produtos com a sustentabilidade como um ingrediente chave.
Uma inovação técnica como a eletrônica impressa é uma solução viável para apoiar os crescentes desafios ambientais globais e regulamentações mais rigorosas. A facilitação da reciclagem e a redução de resíduos tóxicos apoiarão ainda mais a sustentabilidade da economia circular.
