Opløselig 3D‑printet elektronik: Slutter med e‑affald

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.

E‑affald er en stor bekymring

Verdens teknologiske affald er et problem. Ikke de nuværende og nyeste versioner, men de forældede og ødelagte genstande, som fortsat fylder op på lossepladser. Elektronik i dag har mange værdifulde dele, men på grund af deres konstruktionsmetode er det næsten umuligt eller meget ulønnet at bruge tid på at hente disse dele via genanvendelse. Som følge heraf bliver disse enheder hurtigt affald.

Ifølge World Health Organization er e‑affald en væsentlig bidragyder til global forurening. En nylig rapport viser, at cirka 65 millioner ton e‑affald vil blive kasseret i år. Desværre svarer dette til en stigning på 3 millioner ton i forhold til sidste års affaldstal. Disse tal afslører en farlig tendens, hvor mindre end 22 % af e‑affaldet nogensinde bliver genanvendt.

Affald fra computerchips og miljøpåvirkning

Når du går dybere ind i, hvilke typer genstande der spildes, kan du se, at computerchips er blandt de mest udbredte og skadelige for miljøet. Den nuværende industri‑standard for computerchips er baseret på FR‑4. Dette materiale fremstilles ved at kombinere glasfibertøj og epoxyharpiks. Derefter lamineres chippen med kobberfolie på begge sider.

Bekæmpelse af e‑affaldsudfordringer

Der har været mange forsøg på at reducere mængden af e‑affald, der skabes globalt. Disse tilgange inkluderer at genoverveje fremstillingsprocessen, undersøge miljøvenlige materialalternativer og søge billigere muligheder end status quo.

Der er dog stadig betydelige forhindringer på vejen mod at begrænse affaldet. For det første er genanvendelsesmetoder for dyre og kræver specielt maskineri, hvilket begrænser adgangen til kun industrielle deltagere. Derudover kan genanvendelsesprocessen kræve, at affaldet indsamles og transporteres over lange afstande, hvilket øger omkostninger og risici.

Kostbare metoder

Derudover drejer den nuværende metode sig om at bruge varme til at adskille værdifulde komponenter fra chippenes genanvendelige dele. Denne tilgang kan producere giftige dampe og andre forurenende stoffer under genanvendelsesprocessen, hvilket udligner fordelene. Den er også meget energikrævende, hvilket gør den dyr at drive.

Et andet stort problem med PCB‑chip‑genanvendelsesstrategier er, at disse enheder er designet til at opfylde produkt‑specifikke design. Som sådan kan de smeltes sammen på forskellige måder og ved brug af materialer, der gør dem endnu sværere at adskille under genvindingsprocessen. Selv de bedste FR‑4‑baserede PCB‑genanvendelsesprogrammer understøtter kun delvis genvinding af de værdifulde komponenter.

Studie af opløselig 3D‑printet elektronik

Studiet “DissolvPCB: Fully Recyclable 3D-Printed Electronics with Liquid Metal Conductors and PVA Substrates 1“, som blev præsenteret på UIST 2025, introducerede et nyt design- og fremstillingsmetode, der muliggør lavpris-genindvinding af kernekomponenter. Det nye chipdesign, kaldet DissolvPCB, er den første fuldt genanvendelige PCB, der leverer ydeevne på niveau med traditionelle FDM‑chips.

Kilde – Arxiv

DissolvPCB

Det forbedrede design, fremstilling og genanvendelses‑workflow integrerer PVA‑baseret FDM‑3D‑print med EGaIn‑flydende metal‑kredsløb for at levere lignende ydeevne fra en genanvendelig platform. Imponerende nok brugte holdet standard FDM‑3D‑printere til at fremstille den nye chip.

PCBA‑komposit

Et af de første skridt i processen var at finde et bedre materiale, der kunne skabe stabile 3D‑printbare kredsløbskort. Efter omfattende forskning besluttede holdet sig for en ny PCB‑komposit, der integrerer et vandopløseligt polyvinylalkohol (PVA) dielektrikum som basismateriale.

Bemærkelsesværdigt er polyvinylalkohol (PVA) vandopløseligt og begynder automatisk at nedbrydes inden for 24 timer efter nedsænkning. Disse egenskaber gjorde materialet ideelt for ingeniørernes mål. Derudover er det ikke dyrt at fremstille og er let tilgængeligt.

Opløselig 3D‑printet elektronik‑ledningsføring

For ledningsføringen brugte holdet et specialfilament kaldet EGaIn (eutektiisk gallium‑indium). Dette materiale er et formbart flydende metal, der kan påføres direkte fra en 3D‑printer. Det er ledende som kobber og kan formes til næsten enhver form, hvilket gør det ideelt til mikrochips.

Elektroniske komponenter

Derudover blev elektriske komponenter manuelt tilføjet til chippen efter 3D‑printprocessen. Herefter påførte holdet en polymerlimforsegling, designet til at holde fugt ude. Når limlaget var påført, blev både limlaget og chippen opvarmet til 60 °C i en time for at fuldføre processen.

Opløsning af mikrochippen

DissolvPCB lever op til sit navn. Det kan fuldstændigt genanvendes ved blot at nedsænke det i vand i 24‑36 timer. Endnu mere imponerende er, at PCB‑substratet kan indsamles og genbruges som printfilament i nye chips. Derudover adskilles ledningsføringen lavet af EGaIn i små metaldråber, som kan indsamles og genbruges sammen med de manuelt placerede komponenter.

Design af opløselig 3D‑printet elektronik

For at designe deres nye chips besluttede holdet at skabe en særlig CAD‑opgradering. FreeCAD‑plugin‑et med open‑source gør det nemt for ingeniører at konvertere traditionelle kredsløbsdiagrammer til designs, der automatisk kan 3D‑printes. Denne tilgang vil hjælpe med at reducere ny brugeradoption og gøre det lettere for ingeniører at skabe tredimensionale kredsløbstsporet, hvilket udvider anvendelsesscenarierne betydeligt.

Test af opløselig 3D‑printet elektronik

I testfasen skabte holdet flere enheder. Disse enheder omfattede en Bluetooth‑højttaler, en fidget‑legetøj og en grebshånd. Bemærkelsesværdigt havde Bluetooth‑højttaleren et dobbelt‑sidet PCB, og fidget‑legetøjet udnyttede 3D‑kredsløb. Holdet byggede og testede disse enheder mod versionerne, der bruger traditionelle chips.

Deres sammenligninger startede med at teste funktionalitet og ydeevne. Derefter gik de videre til at sammenligne chippenes design. Dette trin involverede indsamling af nøgleoplysninger om 3D‑printede spor‑dimensioner, minimale isolationsafstande, ledningsevne, strømkapacitet og andre afgørende ydeevnemålinger. De testede også enhedens varme‑ og fugtighedsgrænser.

Testresultater for opløselig 3D‑printet elektronik

Testresultaterne viste, at det nye chipdesign var sammenligneligt i ydeevne med sine forgængere. Det tilbyder lignende kapaciteter og kunne let bruges til at erstatte de traditionelle chips uden problemer. Denne opdagelse åbner døren for fremtidige anvendelser.

Hvad angår genanvendelighed, overgik det nye chipdesign tidligere muligheder. Holdet bemærkede, at deres ende‑til‑ende‑tilgang muliggør nem demontering og komponentgenvinding gennem simpel vandnedsænkning. De dokumenterede, at denne metode kan udføres lokalt, ikke kræver ekspertise og giver en meget højere genvindingsudbytte end andre genanvendelsesmuligheder.

Specifikt registrerede holdet genvindingsrater på op til 99,4 % for PVA og 98,6 % for flydende metaller. Disse procenter overgår alle tidligere genanvendelses‑ og genvindingsmetoders ydeevne. Derudover bemærkede holdet, at alle genvundne elektriske komponenter forblev funktionelle.

Swipe for at rulle →

Fordele ved opløselig 3D‑printet elektronik

Der er mange fordele ved opløselig 3D‑printet elektronik. Den åbenlyse fordel er, at processen vil reducere den voksende mængde e‑affald, der plager verden. Denne simple additive fremstillingsproces har genanvendelse indbygget i sit kerne­design, hvilket skaber en cirkulær økonomi og reducerer affald.

Let tilgængelig

En anden væsentlig fordel ved denne undersøgelse er, at den bygger på let tilgængelige materialer og processer. Alle materialerne og endda printeren kan købes af enhver i lokale butikker eller online. Den uændrede standardprinter koster ikke meget og kan tilpasses specialiserede opgaver, hvis nødvendigt.

Fleksibilitet

DissolvPCB åbner døren for et nyt niveau af fleksibilitet. For det første gør CAD‑opgraderingen det muligt for ingeniører at skabe gennemgående (THT) og overflade‑monterede (SMD) chipdesigns med lethed. De kan også skabe enkelt‑ eller dobbelt‑sided samlinger, så disse chips kan finde anvendelse i næsten al elektronik i fremtiden.

Skalerbar

En anden stor fordel, der kan udledes af ingeniørernes arbejde, er processens skalerbarhed. Da genanvendelsesprocessen ikke kræver specielle maskiner, varme eller kemikalier, er den meget nem at skalere op til industrielle anvendelser. Derfor ser det ud til, at denne strategi kan være den bedste mulighed for affaldsforebyggelse fremover.

Virkelige anvendelser og tidslinje for opløselig elektronik

Der er mange virkelige anvendelser for opløselig elektronik. For det første ville de være ideelle til prototyping og forskningsformål. Der produceres meget affald i F&U. Dette chipdesign er ideelt til eksperimentering, da det eliminerer affaldet og tillader fuld fleksibilitet i design og anvendelser.

Fungerende 3D‑printet elektronik

Denne fremstillingsmetode kan kombineres med andre printmetoder for at skabe fungerende elektronik. Når den kombineres med printdesigns, der indeholder programmerbare mekaniske adfærd, muliggør denne fremstillingsstrategi komplekse prints, der kan bruges til alt fra computerchips til engangs‑sensorer.

Medicinske anvendelser

Hvis ingeniørerne kan finde en pålidelig måde at forhindre forudgående eksponering for fugt, kunne disse chips være ideelle til medicinske anvendelser. Der er flere medicinske enheder, som pacemakere, der kræver invasive procedurer for at blive implanteret og fjernet.

I fremtiden kan medicinske fagfolk skabe disse enheder med en port, der tillader dem at blive oversvømmet med vand, når de ikke længere er nødvendige. Denne tilgang kunne hjælpe med at opløse enheden og reducere forurening og kirurgiske procedurer.

Engangs‑elektronik

En anden stor anvendelse ville være i verden af engangs‑elektronik. Engangs‑elektronik som e‑cigaretter og andre enheder kunne designes med deres levetid i tankerne. Disse enheder, som fortsat fylder lossepladser, kunne let genanvendes som en del af deres livscyklus, hvilket åbner døren for virkelig engangs‑elektronik i fremtiden.

Tidslinje for opløselig 3D‑printet elektronik

Du kan forvente at se disse chips komme ind i elektronik inden for de næste 5 år. Der er en stærk efterspørgsel efter genanvendelige chips, og denne tilgang tilbyder den fleksibilitet og ydeevne, som ingeniørerne har brug for. Deres arbejde vil hjælpe med at inspirere bæredygtige fremstillingspraksisser fremover.

Forskere inden for opløselig 3D‑printet elektronik

Ingeniører fra University of Maryland, Georgia Institute of Technology og andre institutioner arbejdede sammen om at bringe studiet af opløselig 3D‑printet elektronik frem i lyset. Papiret nævner Huaishu Peng, Zeyu Yan, SuHwan Hong, Huaishu Peng, Tingyu Cheng og Josiah Hester som de vigtigste bidragydere.

Projektet modtog økonomisk og materiel støtte fra Sandbox, Jagdeep Singh Family Makerspace, Terrapin Works og BioWorkshop. De modtog også tilskud fra National Science Foundation og Alfred P. Sloan Foundation, VMware og Google.

Fremtiden for opløselig 3D‑printet elektronik

Fremtiden for DissolvPCB afhænger af nogle nøglefaktorer. For det første skal holdet udføre mere arbejde for at demonstrere pålideligheden og holdbarheden af deres nye chipdesign. Derudover skal de fortsætte med at undersøge måder, så chippen undgår fugtighedseksponering, indtil det er tid til at genanvende dem.

Investering i fremstilling af halvledere

Der er mange virksomheder inden for chipfremstilling. Disse virksomheder spiller en afgørende rolle i elektronik‑ og teknologisektoren og driver dagens mest avancerede enheder. Her er en virksomhed, der fortsat er en innovativ kraft inden for chipfremstilling.

Advanced Micro Devices Inc.

Advanced Micro Devices Inc. (AMD ) blev lanceret den 1. maj 1969 for at levere pålidelige halvledere til det spirende computermarked. Virksomheden blev grundlagt af Jerry Sanders og et team af ingeniører, som alle kom fra Fairchild Semiconductor.

Advanced Micro Devices gik ind på markedet med et brag takket være udgivelsen af Am9300‑skiftregisteret i 1970. I 1982 havde virksomheden indgået aftaler, der knyttede dem til branchelederen Intel (INTC ) og andre. Dette strategiske partnerskab hjalp med at styrke mærkegenkendelse og markedsposition.