إلكترونيات قابلة للذوبان مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد: القضاء على النفايات الإلكترونية

تعاون مهندسو جامعة ماريلاند ومعهد جورجيا للتكنولوجيا لابتكار أول إلكترونيات قابلة للذوبان مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تُعيد هذه العملية الجديدة النظر في مفهوم إعادة التدوير، وتدمجه مع التصنيع لخلق اقتصاد دائري متكامل. إليكم كيف يُمكن للإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أن تُلهم جيلًا جديدًا من الأجهزة المستدامة، وأكثر من ذلك.

النفايات الإلكترونية تشكل مصدر قلق كبير

يواجه العالم مشكلةً في تقنياته. ليست الإصدارات الحديثة، بل الأجهزة القديمة والمكسورة التي لا تزال تملأ مكبات النفايات. تحتوي الإلكترونيات اليوم على العديد من القطع القيّمة، ولكن نظرًا لطريقة تصنيعها، يكاد يكون من المستحيل، بل ومن غير المربح، إعادة تدويرها. ونتيجةً لذلك، سرعان ما تتحول هذه الأجهزة إلى نفايات.

وفقًا منظمة الصحة العالميةتُعدّ النفايات الإلكترونية مُساهمًا رئيسيًا في التلوث العالمي. يُشير تقرير حديث إلى أنه سيتم التخلص من حوالي 65 مليون طن من النفايات الإلكترونية هذا العام. وللأسف، يُمثل هذا زيادة قدرها 3 ملايين طن عن إحصاءات العام الماضي. تكشف هذه الإحصاءات عن اتجاه خطير حيث لا يُعاد تدوير سوى أقل من 22% من النفايات الإلكترونية.

نفايات شرائح الكمبيوتر والتأثير البيئي

عند التعمق في أنواع المواد المهدرة، يتضح أن رقائق الحاسوب من أكثرها شيوعًا وضررًا بالبيئة. يعتمد المعيار الصناعي الحالي لرقائق الحاسوب على مادة FR-4. تُصنع هذه المادة بدمج قماش الألياف الزجاجية وراتنج الإيبوكسي. ثم تُغلّف الرقائق برقائق نحاسية من كلا الجانبين.

مكافحة تحديات النفايات الإلكترونية

بُذلت محاولات عديدة للحد من كمية النفايات الإلكترونية المُنتَجة عالميًا. تشمل هذه الجهود إعادة النظر في عملية التصنيع، والبحث عن بدائل مواد صديقة للبيئة، والبحث عن خيارات أقل تكلفةً من الوضع الراهن.

ومع ذلك، لا تزال هناك عقبات كبيرة تعترض جهود الحد من النفايات. أولًا، تكاليف إعادة التدوير باهظة وتتطلب آليات خاصة، مما يحد من الوصول إليها ويقتصر على الجهات الصناعية فقط. إضافةً إلى ذلك، قد تتطلب عملية إعادة التدوير جمع النفايات ونقلها لمسافات طويلة، مما يزيد من التكاليف والمخاطر.

طرق مكلفة

بالإضافة إلى ذلك، تعتمد الطريقة الحالية على استخدام الحرارة لفصل المكونات القيّمة عن قطع الرقائق القابلة لإعادة التدوير. قد يُنتج هذا النهج أبخرة سامة وملوثات أخرى أثناء عملية إعادة التدوير، مما يُقلل من فوائده. كما أنه يستهلك طاقة كبيرة، مما يجعل تشغيله مكلفًا للغاية.

من المشكلات الرئيسية الأخرى المتعلقة باستراتيجيات إعادة تدوير رقائق ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) أن هذه الأجهزة مصممة لتلبية تصميمات خاصة بالمنتج. وبالتالي، يمكن دمجها بطرق مختلفة وباستخدام مواد تزيد من صعوبة فصلها أثناء عملية الاستصلاح. حتى أفضل برامج إعادة تدوير ثنائي الفينيل متعدد الكلور القائمة على FR-4 لا تدعم سوى الاستعادة الجزئية للمكونات القيّمة.

دراسة الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

الدراسة "DissolvPCB: إلكترونيات مطبوعة ثلاثية الأبعاد قابلة لإعادة التدوير بالكامل باستخدام موصلات معدنية سائلة وركائز PVA 3"، والذي تم تقديمه في معهد التكنولوجيا والعلوم التطبيقية 2025قدّمت شركة DissolvPCB تصميمًا وطريقة تصنيع مبتكرة تُمكّن من استعادة المكونات الأساسية بتكلفة منخفضة. يُعدّ تصميم الشريحة الجديد، المُسمّى DissolvPCB، أول لوحة دوائر مطبوعة قابلة لإعادة التدوير بالكامل، تُقدّم أداءً يُضاهي أداء رقائق FDM التقليدية.

المصدر - Arxiv

ديسولف بي سي بي

يدمج سير عمل التصميم والتصنيع وإعادة التدوير المُحسّن الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية FDM القائمة على PVA مع دارات EGaIn المعدنية السائلة لتوفير أداء مماثل من منصة قابلة لإعادة الاستخدام. ومن المثير للإعجاب أن الفريق استخدم طابعات FDM ثلاثية الأبعاد جاهزة للاستخدام في تصنيع الشريحة الجديدة.

مركب PCBA

كانت إحدى الخطوات الأولى في هذه العملية اكتشاف مادة أفضل تُمكّن من إنتاج لوحات دوائر كهربائية مستقرة قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد. وبعد بحثٍ مُعمّق، استقرّ الفريق على مُركّب جديد للوحات الدوائر المطبوعة، يعتمد على عازل كحول البولي فينيل (PVA) القابل للذوبان في الماء كمادة أساسية.

تجدر الإشارة إلى أن كحول البولي فينيل (PVA) قابل للذوبان في الماء ويبدأ بالتحلل تلقائيًا خلال 24 ساعة من الغمر. هذه الخصائص جعلت هذه المادة مثالية لأهداف المهندسين. بالإضافة إلى ذلك، تصنيعه غير مكلف ومتوفر بسهولة.

أسلاك إلكترونية قابلة للذوبان مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

لتوصيل الأسلاك، استخدم الفريق خيطًا خاصًا يُسمى EGaIn (غاليوم-إنديوم إيوتكتيكي). هذه المادة معدن سائل قابل للطرق، ويمكن تطبيقها مباشرةً من طابعة ثلاثية الأبعاد. تتميز هذه المادة بموصليتها الكهربائية مثل النحاس، ويمكن تطبيقها لتناسب أي شكل تقريبًا، مما يجعلها مثالية للرقائق الدقيقة.

مكونات إلكترونية

بالإضافة إلى ذلك، أُضيفت المكونات الكهربائية يدويًا إلى الشريحة بعد عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومن ثم، وضع الفريق طبقة لاصقة بوليمرية مصممة لمنع الرطوبة. بعد وضع الغراء، سُخّنت طبقة الغراء والرقاقة إلى 3 درجة مئوية لمدة ساعة لإتمام العملية.

إذابة الشريحة الدقيقة

يُجسّد DissolvePCB اسمه. يُمكن إعادة معالجته بالكامل بمجرد غمره في الماء لمدة 24-36 ساعة. والأكثر إثارةً للإعجاب هو إمكانية جمع ركيزة PCB وإعادة استخدامها كخيوط طباعة في الرقائق الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، تنقسم الأسلاك المصنوعة من EGaIn إلى قطرات معدنية صغيرة، يُمكن جمعها وإعادة استخدامها، إلى جانب المكونات الموضوعة يدويًا.

تصميم إلكترونيات قابلة للذوبان مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

لتصميم رقائقهم الجديدة، قرر الفريق تطوير برنامج CAD خاص. يُسهّل برنامج FreeCAD، وهو ملحق مفتوح المصدر، على المهندسين تحويل مخططات الدوائر التقليدية إلى تصاميم قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد تلقائيًا. سيساعد هذا النهج على تقليل اعتماد المستخدمين الجدد، ويُسهّل على المهندسين إنشاء مسارات دوائر ثلاثية الأبعاد، مما يُوسّع نطاق استخداماته بشكل كبير.

اختبار الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

كجزء من مرحلة الاختبار، ابتكر الفريق عدة أجهزة. تضمنت هذه الأجهزة مكبر صوت بلوتوث، ولعبة فيدجيت، ويدًا قابضة. والجدير بالذكر أن مكبر الصوت مزود بلوحة دوائر مطبوعة ثنائية الجوانب، بينما اعتمدت لعبة فيدجيت على دوائر ثلاثية الأبعاد. قام الفريق ببناء هذه الأجهزة واختبارها مقارنةً بالإصدارات التي تستخدم الرقائق التقليدية.

بدأت مقارناتهم باختبار الأداء الوظيفي، ثم انتقلوا إلى مقارنة تصميم الرقاقات. تضمنت هذه الخطوة تسجيل تفاصيل رئيسية حول أبعاد التتبع المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، ومسافات العزل الدنيا، والتوصيل، وسعة التيار، وغيرها من مقاييس الأداء المهمة. كما اختبروا حدود الحرارة والرطوبة للجهاز.

نتائج اختبار الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

أظهرت نتائج الاختبار أن تصميم الشريحة الجديدة يُضاهي في أدائها سابقاتها. فهي توفر إمكانيات مماثلة، ويمكن استخدامها بسهولة لتحل محل الشرائح التقليدية دون أي مشاكل. يفتح هذا الاكتشاف آفاقًا لتطبيقات مستقبلية.

من حيث قابلية إعادة التدوير، تفوق تصميم الشريحة الجديد على الخيارات السابقة. وأشار الفريق إلى أن نهجهم الشامل يُتيح سهولة تفكيك المكونات واستعادة مكوناتها من خلال غمرها في الماء ببساطة. ووثّق الفريق إمكانية تطبيق هذه الطريقة محليًا، ولا تتطلب خبرة، وتوفر نسبة استعادة أعلى بكثير من خيارات إعادة التدوير الأخرى.

على وجه التحديد، سجّل الفريق معدلات استرداد تصل إلى 99.4% لبولي فينيل كلوريد (PVA) و98.6% للمعادن السائلة. وتتفوق هذه النسب على جميع طرق إعادة التدوير والاسترداد السابقة. كما لاحظ الفريق أن جميع المكونات الكهربائية المستعادة ظلت صالحة للعمل.

مرر للتمرير →

فوائد الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

هناك العديد من الفوائد التي يمكن أن تجنيها الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومن أبرزها أن هذه العملية ستقلل من كمية النفايات الإلكترونية المتزايدة التي تُهدد العالم. فهذه العملية البسيطة للتصنيع الإضافي تعتمد على إعادة التدوير في تصميمها الأساسي، مما يُسهم في خلق اقتصاد دائري وتقليل النفايات.

على نطاق واسع

من أهم فوائد هذه الدراسة اعتمادها على مواد وعمليات متاحة على نطاق واسع. جميع المواد، وحتى الطابعة، متاحة للجميع من المتاجر المحلية أو عبر الإنترنت. الطابعة الجاهزة غير المعدلة ليست باهظة الثمن، ويمكن تعديلها لتلبية احتياجات متخصصة عند الحاجة.

المرونة

يفتح DissolvPCB آفاقًا جديدة من المرونة. فمن جهة، يُمكّن تحديث CAD المهندسين من إنشاء تصميمات شرائح مُثبّتة عبر الثقوب (THT) وسطحية (SMD) بسهولة. كما يُمكنهم إنشاء تجميعات أحادية أو ثنائية الجوانب، مما يُتيح لهذه الشرائح استخدامًا واسعًا في جميع الإلكترونيات تقريبًا في المستقبل.

قابلة لل

من المزايا الرئيسية الأخرى التي يمكن استخلاصها من عمل المهندس إمكانية توسيع نطاق العملية. فبما أن عملية إعادة التدوير لا تتطلب آلات خاصة أو حرارة أو مواد كيميائية، فمن السهل جدًا توسيع نطاقها لتشمل التطبيقات الصناعية. لذا، يبدو أن هذه الاستراتيجية قد تكون الخيار الأمثل للحد من النفايات مستقبلًا.

التطبيقات العملية والجدول الزمني للإلكترونيات القابلة للذوبان

للإلكترونيات القابلة للذوبان تطبيقات عملية عديدة. أولًا، تُعدّ مثاليةً للنماذج الأولية والأبحاث. يُنتج البحث والتطوير كميات كبيرة من النفايات. يُعدّ تصميم هذه الشريحة مثاليًا للتجارب، إذ يُقلّل من النفايات ويتيح مرونةً تامةً في التصميم والتطبيقات.

عمل إلكترونيات مطبوعة ثلاثية الأبعاد

يمكن دمج طريقة التصنيع هذه مع طرق طباعة أخرى لإنتاج إلكترونيات فعالة. وعند دمجها مع تصميمات طباعة تتميز بسلوكيات ميكانيكية قابلة للبرمجة، تتيح هذه الاستراتيجية إنتاج مطبوعات معقدة يمكن استخدامها في كل شيء، من رقائق الكمبيوتر إلى أجهزة الاستشعار التي تُستخدم لمرة واحدة.

التطبيقات الطبية

إذا تمكن المهندسون من إيجاد طريقة موثوقة لمنع التعرض المسبق للرطوبة، فقد تكون هذه الرقائق مثالية للتطبيقات الطبية. هناك العديد من الأجهزة الطبية، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب، التي تتطلب إجراءات جراحية جراحية لزرعها وإزالتها.

في المستقبل، قد يُطوّر الأطباء هذه الأجهزة بمنفذ يسمح بغمرها بالماء عند عدم الحاجة إليها. قد يُساعد هذا النهج على إذابة الجهاز وتقليل التلوث والعمليات الجراحية.

إلكترونيات يمكن التخلص منها

من الاستخدامات الرئيسية الأخرى الأجهزة الإلكترونية التي تُستخدم لمرة واحدة. يمكن تصنيع أجهزة إلكترونية للاستخدام لمرة واحدة، مثل السجائر الإلكترونية وغيرها، مع مراعاة عمرها الافتراضي. هذه الأجهزة، التي لا تزال تُغرق مكبات النفايات، يمكن إعادة تدويرها بسهولة كجزء من دورة حياتها، مما يفتح الباب أمام أجهزة إلكترونية للاستخدام لمرة واحدة في المستقبل.

الجدول الزمني للإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة ثلاثية الأبعاد

من المتوقع أن نرى هذه الرقائق تشق طريقها إلى الإلكترونيات خلال السنوات الخمس المقبلة. هناك طلب كبير على الرقائق القابلة لإعادة التدوير، وهذا النهج يوفر المرونة والأداء اللازمين للمهندسين. سيساهم عملهم في إلهام ممارسات التصنيع المستدامة مستقبلًا.

باحثون في مجال الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

تعاون مهندسون من جامعة ماريلاند ومعهد جورجيا للتكنولوجيا ومؤسسات أخرى لتسليط الضوء على دراسة الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وورد في الورقة البحثية أن المساهمين الرئيسيين هم: هوايشو بينغ، وزييو يان، وسو هوان هونغ، وهوايشو بينغ، وتينجيو تشنغ، وجوشيا هيستر.

حصل المشروع على دعم مالي ومادي من Sandbox، وJagdeep Singh Family Makerspace، وTerrapin Works، وBioWorkshop. كما حصل على منح من المؤسسة الوطنية للعلوم، ومؤسسة Alfred P. Sloan، وVMware، وGoogle.

مستقبل الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

يعتمد مستقبل DissolvPCB على عوامل رئيسية. أولًا، يحتاج الفريق إلى بذل المزيد من الجهد لإثبات موثوقية ومتانة تصميم الرقاقة الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، عليهم مواصلة استكشاف سبل ضمان عدم تعرض الرقاقات للرطوبة حتى يحين وقت إعادة تدويرها.

الاستثمار في تصنيع أشباه الموصلات

هناك العديد من الشركات العاملة في مجال تصنيع الرقائق. تلعب هذه الشركات دورًا حيويًا في قطاعي الإلكترونيات والتكنولوجيا، حيث تُشغّل أحدث الأجهزة اليوم. إليكم شركة واحدة لا تزال تُمثّل قوةً ابتكاريةً في مجال تصنيع الرقائق.

شركة متقدمة مايكرو الأجهزة

تأسست شركة Advanced Micro Devices Inc. في الأول من مايو عام ١٩٦٩ لتوفير أشباه موصلات موثوقة لسوق الحواسيب الناشئة. أسس الشركة جيري ساندرز وفريق من المهندسين، جميعهم من شركة Fairchild Semiconductor.

حققت شركة Advanced Micro Devices نجاحًا باهرًا في السوق بفضل إصدار مسجل التحويل Am9300 عام 1970. وبحلول عام 1982، أبرمت الشركة اتفاقيات شراكة مع شركة Intel الرائدة في هذا المجال وغيرها. وقد ساهمت هذه الشراكة الاستراتيجية في تعزيز مكانة العلامة التجارية وتعزيز مكانتها في السوق.

واصلت الشركة الارتقاء بالأداء بمعالجات Athlon. كانت هذه أول معالجات تصل إلى سرعة 1 جيجاهرتز، مما ساعد الشركة على كسب دعم قوي من المصنّعين. واليوم، تُعدّ Advanced Micro Devices رائدة في صناعات الألعاب، وتطوير الرقائق، ومراكز البيانات، ووحدات معالجة الرسومات، وغيرها.

أحدث أخبار وأداء أسهم شركة Advanced Micro Devices (AMD)

إلكترونيات قابلة للذوبان مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد | الخاتمة

من السهل إدراك لماذا قد تفتح الإلكترونيات القابلة للذوبان المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الباب أمام اقتصاد أكثر أمانًا وصحة. فهذه الأجهزة تضمن عدم امتلاء مكبات النفايات بشكل زائد، وعدم وصول المكونات الإلكترونية القديمة إلى بيئتنا. لهذه الأسباب وغيرها الكثير، يستحق هؤلاء المهندسون كل التقدير والاحترام.

تعرف على المزيد من الاكتشافات الرائعة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد اضغط هنا.

المراجع:

^{1. يان، ز.، هونغ، س.، هيستر، ج.، تشنغ، ت.، وبينج، هـ. (2025، 29 يوليو). DissolvPCB: إلكترونيات مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد قابلة لإعادة التدوير بالكامل باستخدام موصلات معدنية سائلة وركائز PVA (arXiv:2507.22193).arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.22193}