الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان: إنهاء النفايات الإلكترونية

University of Maryland and Georgia Institute of Technology engineers collaborated to create the first dissolvable 3D-printed electronics. The new process rethinks the concept of recyclability, merging it with manufacturing to create a seamless circular economy. Here’s how dissolvable 3D-printed electronics could inspire a new generation of sustainable devices and more.

النفايات الإلكترونية مصدر قلق كبير

العالم يواجه مشكلة مع تقنياته. ليست الإصدارات الحالية والأحدث، بل العناصر القديمة والمكسورة التي تستمر في ملء المدافن. تحتوي الإلكترونيات اليوم على العديد من الأجزاء القيمة، ولكن بسبب طريقة بنائها، يصبح من الصعب تقريبًا أو غير مربح للغاية تخصيص الوقت لاسترجاع هذه العناصر عبر إعادة التدوير. وبالتالي، تتحول هذه الأجهزة إلى نفايات بسرعة.

وفقًا لـ منظمة الصحة العالمية، تُعد النفايات الإلكترونية مساهمًا رئيسيًا في التلوث العالمي. تُظهر تقارير حديثة أن حوالي 65 مليون طن من النفايات الإلكترونية ستُلقى هذا العام. للأسف، يمثل ذلك زيادة قدرها 3 ملايين طن عن إحصاءات النفايات للعام الماضي. تكشف هذه الإحصاءات عن اتجاه خطر حيث يتم تدوير أقل من 22٪ من النفايات الإلكترونية على الإطلاق.

نفايات شرائح الحواسيب وتأثيرها البيئي

عند التعمق أكثر في معرفة أنواع العناصر التي تُهدر، يمكنك ملاحظة أن شرائح الحواسيب تُعد من بين الأكثر شيوعًا وضارة بالبيئة. المعيار الصناعي الحالي لشرائح الحواسيب يعتمد على مادة FR-4. تُصنع هذه المادة بدمج قماش الألياف الزجاجية والراتنج الإيبوكسي. ثم تُلامس الشرائح بورق نحاسي على كلا الجانبين.

مكافحة تحديات النفايات الإلكترونية

لقد شهدت محاولات عديدة لتقليل كمية النفايات الإلكترونية التي تُنتج عالميًا. تشمل هذه الأساليب إعادة التفكير في عملية التصنيع، والبحث عن بدائل مواد صديقة للبيئة، والبحث عن خيارات أقل تكلفة من الوضع الراهن.

ومع ذلك، لا تزال هناك عوائق كبيرة في مسار الحد من النفايات. أولاً، طرق إعادة التدوير مكلفة جدًا وتتطلب آلات خاصة، مما يحد من إمكانية الوصول إليها إلى المشاركين الصناعيين فقط. بالإضافة إلى ذلك، قد تتطلب عملية إعادة التدوير جمع النفايات ونقلها لمسافات طويلة، مما يزيد من التكاليف والمخاطر.

طرق مكلفة

علاوة على ذلك، الطريقة الحالية تدور حول استخدام الحرارة لفصل المكونات القيمة عن قطع الشرائح القابلة لإعادة التدوير. يمكن أن ينتج عن هذا النهج أبخرة سامة وملوثات أخرى أثناء عملية إعادة التدوير، مما يُقَلِّل من فوائدها. كما أنها تتطلب طاقة عالية، مما يجعل تشغيلها مكلفًا جدًا.

مشكلة رئيسية أخرى في استراتيجيات إعادة تدوير شرائح PCB هي أن هذه الأجهزة تُصمم لتلبية تصاميم منتجات محددة. وبالتالي، يمكن دمجها بطرق مختلفة واستخدام مواد تجعل فصلها أكثر صعوبة أثناء عملية الاسترداد. حتى أفضل برامج إعادة تدوير PCB القائمة على FR-4 تدعم فقط استرداد جزئي للمكونات القيمة.

دراسة الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

قدمت الدراسة “DissolvPCB: Fully Recyclable 3D-Printed Electronics with Liquid Metal Conductors and PVA Substrates 1“، التي عُرضت في UIST 2025، تصميمًا وطريقة تصنيع جديدة مكنت من استرداد منخفض التكلفة للمكونات الأساسية. التصميم الجديد للشرائح، المسمى DissolvPCB، هو أول لوحة PCB قابلة لإعادة التدوير بالكامل تقدم أداءً مماثلًا للشرائح التقليدية بتقنية FDM.

المصدر – Arxiv

DissolvPCB

يتكامل التصميم المحسن، عملية التصنيع، وسير عمل إعادة التدوير بدمج طباعة FDM ثلاثية الأبعاد القائمة على PVA مع دوائر سائلة من معدن EGaIn لتوفير أداء مماثل من منصة قابلة لإعادة الاستخدام. بشكل ملحوظ، استخدم الفريق طابعات FDM ثلاثية الأبعاد جاهزة الصنع لإنشاء الشريحة الجديدة.

مركب PCBA

كان أحد الخطوات الأولى في العملية هو اكتشاف مادة أفضل يمكنها إنشاء لوحات دوائر مطبوعة ثلاثية الأبعاد ثابتة. بعد بحث مكثف، قرر الفريق اعتماد مركب PCB جديد يدمج عازل بولي فينيل كحول (PVA) القابل للذوبان في الماء كأساس للمادة.

من الجدير بالذكر أن بولي فينيل كحول (PVA) قابل للذوبان في الماء وسيبدأ تلقائيًا في التحلل خلال 24 ساعة من الغمر. جعلت هذه الخصائص المادة مثالية لأهداف المهندسين. بالإضافة إلى ذلك، ليست مكلفة الصنع ومتوفرة بسهولة.

توصيل الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

بالنسبة للتوصيل، استخدم الفريق خيطًا خاصًا يُدعى EGaIn (سبائك الغاليوم-الإنديوم المتجانسة). هذه المادة هي معدن سائل قابل للتشكيل يمكن تطبيقه مباشرة من طابعة ثلاثية الأبعاد. إنه موصل مثل النحاس ويمكن تطبيقه لتناسب أي شكل تقريبًا، مما يجعله مثاليًا للشرائح الدقيقة.

المكونات الإلكترونية

بالإضافة إلى ذلك، تم إضافة المكونات الكهربائية يدويًا إلى الشريحة بعد عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. من هناك، طبّق الفريق طبقة لاصق بوليمري مصممة لمنع دخول الرطوبة. بعد التطبيق، تم تسخين طبقة اللاصق والشريحة إلى 60°C لمدة ساعة لإكمال العملية.

ذوبان الشريحة الدقيقة

يعيش DissolvPCB اسمه حقًا. يمكن إعادة معالجتها بالكامل ببساطة عن طريق غمرها في الماء لمدة 24-36 ساعة. ما هو أكثر إثارة هو أن ركيزة PCB يمكن جمعها وإعادة استخدامها كخيط طباعة في شرائح جديدة. بالإضافة إلى ذلك، ينفصل التوصيل المصنوع من EGaIn إلى قطرات معدنية صغيرة يمكن جمعها وإعادة استخدامها، إلى جانب المكونات التي تم وضعها يدويًا.

تصميم الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

لتصميم شرائحهم الجديدة، قرر الفريق إنشاء ترقية خاصة لبرنامج CAD. تجعل الإضافة المفتوحة المصدر FreeCAD من السهل على المهندسين تحويل المخططات الدائرية التقليدية إلى تصاميم يمكن طباعتها ثلاثيًا تلقائيًا. سيساعد هذا النهج على تقليل حاجات المستخدمين الجدد وجعل من الأسهل على المهندسين إنشاء مسارات دوائر ثلاثية الأبعاد، مما يوسع بشكل كبير من سيناريوهات الاستخدام.

اختبار الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

كجزء من مرحلة الاختبار، أنشأ الفريق عدة أجهزة. شملت هذه الأجهزة مكبر صوت بلوتوث، لعبة فidget، ويد مقبضة. تجدر الإشارة إلى أن مكبر الصوت البلوتوثي تضمن PCB مزدوج الجوانب، واستخدمت لعبة الفidget دوائر ثلاثية الأبعاد. بنى الفريق واختبر هذه الأجهزة مقارنةً بالإصدارات التي تستخدم شرائح تقليدية.

بدأت مقارناتهم باختبار الوظيفة والأداء. ثم انتقلوا إلى مقارنة الشرائح من حيث التصميم. شمل هذا الخطوة التقاط تفاصيل رئيسية حول أبعاد المسارات المطبوعة ثلاثيًا، الحد الأدنى للمسافات العازلة، التوصيلية، سعة التيار، ومقاييس أداء أخرى حاسمة. كما اختبروا حدود الحرارة والرطوبة للجهاز.

نتائج اختبار الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

كشفت نتائج الاختبار أن تصميم الشريحة الجديدة كان مقارنًا في الأداء مع سابقتها. يقدم قدرات مماثلة ويمكن استخدامه بسهولة لاستبدال الشرائح التقليدية دون أي مشاكل. يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام تطبيقات مستقبلية.

من حيث القابلية لإعادة التدوير، تفوق تصميم الشريحة الجديد الخيارات السابقة. أشار الفريق إلى أن نهجهم المتكامل من البداية إلى النهاية مكن من التفكيك السهل واسترداد المكونات عبر غمر بسيط في الماء. وثقوا أن هذه الطريقة يمكن تنفيذها محليًا، لا تتطلب خبرة، وتوفر عائد استرداد أعلى بكثير من خيارات إعادة التدوير الأخرى.

على وجه التحديد، سجل الفريق معدلات استرداد تصل إلى 99.4٪ للـ PVA و 98.6٪ للمعادن السائلة. هذه النسب تفوق جميع طرق إعادة التدوير والاسترداد السابقة. بالإضافة إلى ذلك، أشار الفريق إلى أن جميع المكونات الكهربائية المستردة ظلت فعّالة.

اسحب للتمرير →

فوائد الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

هناك العديد من الفوائد التي يمكن أن تنبع من الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان. الفائدة الواضحة هي أن العملية ستقلل من الزيادة المتنامية للنفايات الإلكترونية التي تعصف بالعالم. هذه العملية البسيطة للإضافة التصنيعية تتضمن إعادة التدوير في صميم تصميمها، مما يخلق اقتصادًا دائريًا ويقلل النفايات.

متاحة على نطاق واسع

فائدة رئيسية أخرى لهذه الدراسة هي اعتمادها على مواد وعمليات متاحة على نطاق واسع. يمكن لأي شخص شراء جميع المواد وحتى الطابعة من المتاجر المحلية أو عبر الإنترنت. الطابعة الجاهزة غير المعدلة لا تكلف الكثير ويمكن تعديلها للمهام المتخصصة إذا لزم الأمر.

المرونة

يفتح DissolvPCB بابًا لمستوى جديد من المرونة. أولاً، تمكّن ترقية CAD المهندسين من إنشاء تصاميم شرائح من خلال الثقب (THT) والسطح (SMD) بسهولة. يمكنهم أيضًا إنشاء تجميعات أحادية أو مزدوجة الجانب، مما يتيح لهذه الشرائح أن تجد موطئ قدم في جميع الإلكترونيات تقريبًا في المستقبل.

قابلية التوسع

ميزة أخرى كبيرة يمكن استنتاجها من عمل المهندسين هي قابلية توسيع العملية. نظرًا لأن عملية إعادة التدوير لا تتطلب آلات خاصة أو حرارة أو مواد كيميائية، فمن السهل جدًا توسيعها لتطبيقات صناعية. وبالتالي، يبدو أن هذه الاستراتيجية قد تكون الخيار الأفضل لمنع النفايات في المستقبل.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني للإلكترونيات القابلة للذوبان

هناك العديد من التطبيقات الواقعية للإلكترونيات القابلة للذوبان. أولاً، ستكون مثالية لأغراض النمذجة والبحث. ينتج عن البحث والتطوير الكثير من النفايات. هذا التصميم للشرائح مثالي للتجارب لأنه يلغي النفايات ويسمح بالمرونة الكاملة في التصميم والتطبيقات.

إلكترونيات مطبوعة ثلاثية الأبعاد عاملة

يمكن دمج طريقة التصنيع هذه مع طرق طباعة أخرى لإنشاء إلكترونيات عاملة. عند دمجها مع تصاميم طباعة تتضمن سلوكيات ميكانيكية مبرمجة، تمكّن هذه الاستراتيجية من طباعة معقدة يمكن استخدامها لكل شيء من شرائح الحواسيب إلى المستشعرات القابلة للتصرف.

التطبيقات الطبية

إذا تمكن المهندسون من إيجاد طريقة موثوقة لمنع التعرض المسبق للرطوبة، يمكن أن تكون هذه الشرائح مثالية للتطبيقات الطبية. هناك عدة أجهزة طبية، مثل منظمات ضربات القلب، تتطلب إجراءات جراحية لزرعها وإزالتها.

في المستقبل، قد يخلق المتخصصون الطبيون هذه الأجهزة بفتحة تسمح بغمرها بالماء عندما لا تكون بحاجة إليها بعد الآن. يمكن أن يساعد هذا النهج في إذابة الجهاز وتقليل التلوث والإجراءات الجراحية.

الإلكترونيات القابلة للتصرف

استخدام رئيسي آخر سيكون في عالم الإلكترونيات ذات الاستخدام مرة واحدة. يمكن إنشاء إلكترونيات قابلة للتصرف مثل السجائر الإلكترونية وغيرها من الأجهزة مع وضع عمرها الافتراضي في الاعتبار. هذه الأجهزة، التي تستمر في إغراق المدافن، يمكن إعادة تدويرها بسهولة كجزء من دورة حياتها، مما يفتح الباب أمام إلكترونيات قابلة للتصرف حقًا في المستقبل.

الجدول الزمني للإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

يمكنك توقع رؤية هذه الشرائح تدخل الإلكترونيات خلال السنوات الخمس القادمة. هناك طلب قوي على الشرائح القابلة لإعادة التدوير، وتوفر هذه الطريقة المرونة والأداء الذي يحتاجه المهندسون. سيساعد عملهم في إلهام ممارسات تصنيع مستدامة للمستقبل.

باحثو الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

تعاون مهندسون من جامعة ماريلاند، ومعهد جورجيا للتكنولوجيا، ومؤسسات أخرى لإظهار دراسة الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان. تُدرج الورقة هوايشو بنغ، زيو يان، سوهوان هونغ، هوايشو بنغ، تينغيو تشنغ، وجوزياه هيستر كالمساهمين الرئيسيين.

حصل المشروع على دعم مالي ومادي من Sandbox، Jagdeep Singh Family Makerspace، Terrapin Works، وBioWorkshop. كما تلقوا منحًا من المؤسسة الوطنية للعلوم ومؤسسة ألفريد ب. سلون، VMware، وجوجل.

مستقبل الإلكترونيات المطبوعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان

يعتمد مستقبل DissolvPCB على بعض العوامل الرئيسية. أولاً، يحتاج الفريق إلى مزيد من العمل لإثبات موثوقية ومتانة تصميم الشريحة الجديد. بالإضافة إلى ذلك، يجب عليهم الاستمرار في استكشاف طرق لضمان عدم تعرض الشرائح للرطوبة حتى يحين وقت إعادة تدويرها.

الاستثمار في تصنيع أشباه الموصلات

هناك العديد من الشركات في مجال تصنيع الشرائح. تلعب هذه الشركات دورًا حيويًا في قطاعات الإلكترونيات والتقنية، حيث تزود الأجهزة الأكثر تقدمًا اليوم. إليكم شركة واحدة لا تزال قوة مبتكرة في تصنيع الشرائح.

Advanced Micro Devices Inc.

تم إطلاق Advanced Micro Devices Inc. (AMD ) في 1 مايو 1969 لتوفير أشباه موصلات موثوقة لسوق الحواسيب الناشئ. أسس الشركة جيري ساندرز وفريق من المهندسين الذين جميعهم كانوا من Fairchild Semiconductor.

دخلت Advanced Micro Devices السوق بقوة بفضل إصدار مسجل التحويل Am9300 في عام 1970. بحلول عام 1982، كانت لدى الشركة اتفاقيات تربطها بقائد الصناعة إنتل وغيرها. ساعدت هذه الشراكة الاستراتيجية في تعزيز التعرف على العلامة التجارية وتحديد موقعها في السوق.