विघटनीय 3D प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स: ई-अपशिष्ट का अंत

University of Maryland और Georgia Institute of Technology के इंजीनियरों ने पहला विघटनीय 3D-प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के लिए सहयोग किया। नई प्रक्रिया पुनर्चक्रण की अवधारणा को पुनः सोचती है, इसे निर्माण के साथ मिलाकर एक सहज परिपत्र अर्थव्यवस्था बनाती है। यहाँ बताया गया है कि विघटनीय 3D-प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स कैसे सतत उपकरणों की नई पीढ़ी और अधिक को प्रेरित कर सकते हैं।

E-Waste is a Major Concern

दुनिया की तकनीक में समस्या है। यह वर्तमान और नवीनतम संस्करणों की नहीं, बल्कि पुराने और टूटे हुए आइटमों की है जो लगातार लैंडफ़िल को भरते जा रहे हैं। आज के इलेक्ट्रॉनिक्स में कई मूल्यवान भाग होते हैं, लेकिन उनके निर्माण तरीके के कारण इन्हें रीसाइक्लिंग के माध्यम से निकालना लगभग असंभव या अत्यधिक असलाबहिर हो जाता है। परिणामस्वरूप, ये उपकरण जल्दी ही कचरा बन जाते हैं।

World Health Organization के अनुसार, ई-अपशिष्ट वैश्विक प्रदूषण में एक प्रमुख योगदानकर्ता है। एक हालिया रिपोर्ट दर्शाती है कि इस वर्ष लगभग 65 मिलियन टन ई-अपशिष्ट निपटाया जाएगा। दुर्भाग्यवश, यह पिछले वर्ष की तुलना में 3 मिलियन टन की वृद्धि दर्शाता है। ये आँकड़े एक खतरनाक प्रवृत्ति को उजागर करते हैं जिसमें केवल 22% से कम ई-अपशिष्ट कभी रीसायकल किया जाता है।

Computer Chip Waste and Environmental Impact

जब आप गहराई से देखते हैं कि कौन से आइटम बर्बाद हो रहे हैं, तो आप देखेंगे कि कंप्यूटर चिप्स सबसे अधिक लोकप्रिय और पर्यावरण के लिए हानिकारक हैं। वर्तमान उद्योग मानक कंप्यूटर चिप्स के लिए FR-4 पर निर्भर करता है। यह सामग्री फाइबरग्लास कपड़े और एपॉक्सी रेजिन को मिलाकर बनाई जाती है। फिर, चिप्स को दोनों पक्षों पर तांबे की फ़ॉइल के साथ लैमिनेट किया जाता है।

Combating E-Waste Challenges

ई-अपशिष्ट को वैश्विक स्तर पर कम करने के कई प्रयास किए गए हैं। इन तरीकों में निर्माण प्रक्रिया को पुनः विचारना, पर्यावरण‑अनुकूल सामग्री विकल्पों पर शोध करना, और मौजूदा स्थिति की तुलना में सस्ते विकल्प तलाशना शामिल है।

हालाँकि, कचरे को कम करने की यात्रा में अभी भी महत्वपूर्ण बाधाएँ मौजूद हैं। एक ओर, रीसाइक्लिंग विधियाँ बहुत महंगी हैं और विशेष मशीनरी की आवश्यकता होती है, जिससे केवल औद्योगिक भागीदार ही इनका उपयोग कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, रीसाइक्लिंग प्रक्रिया में कचरे को एकत्रित करके लंबी दूरी तक ले जाना पड़ता है, जिससे लागत और जोखिम दोनों बढ़ते हैं।

Costly Methods

वर्तमान विधि मूल्यवान घटकों को चिप्स के पुनर्चक्रण योग्य भागों से अलग करने के लिए गर्मी का उपयोग करती है। इस प्रक्रिया के दौरान विषाक्त धुएँ और अन्य प्रदूषक उत्पन्न हो सकते हैं, जो इसके लाभों को कम कर देते हैं। साथ ही, यह बहुत ऊर्जा‑गहन है, जिससे संचालन की लागत अत्यधिक बढ़ जाती है।

PCB चिप रीसाइक्लिंग रणनीतियों में एक और बड़ा मुद्दा यह है कि ये उपकरण विशिष्ट उत्पाद डिज़ाइनों को पूरा करने के लिए बनाए जाते हैं। इसलिए, इन्हें विभिन्न तरीकों से जोड़ा जा सकता है और ऐसी सामग्रियों का उपयोग किया जाता है जो पुनः प्राप्ति प्रक्रिया के दौरान उन्हें अलग करना और भी कठिन बना देती हैं। सबसे अच्छे FR-4‑आधारित PCB रीसाइक्लिंग कार्यक्रम भी केवल मूल्यवान घटकों की आंशिक पुनर्प्राप्ति का समर्थन करते हैं।

Dissolvable 3D Printed Electronics Study

“DissolvPCB: Fully Recyclable 3D-Printed Electronics with Liquid Metal Conductors and PVA Substrates 1” नामक अध्ययन, जो UIST 2025 में प्रस्तुत किया गया था, एक नया डिज़ाइन और निर्माण विधि पेश करता है जिससे मुख्य घटकों की कम लागत वाली पुनर्प्राप्ति संभव हुई। नया चिप डिज़ाइन, जिसका नाम DissolvPCB है, पहला पूरी तरह से पुनर्चक्रण योग्य PCB है जो पारंपरिक FDM चिप्स के समान प्रदर्शन प्रदान करता है।

स्रोत – Arxiv

DissolvPCB

उन्नत डिज़ाइन, निर्माण और रीसाइक्लिंग वर्कफ़्लो PVA‑आधारित FDM 3D प्रिंटिंग को EGaIn लिक्विड मेटल सर्किट्री के साथ एकीकृत करता है, जिससे पुन: उपयोग योग्य प्लेटफ़ॉर्म से समान प्रदर्शन मिलता है। प्रभावशाली रूप से, टीम ने ऑफ‑द‑शेल्फ़ FDM 3D प्रिंटरों का उपयोग करके नया चिप बनाया।

PCBA Composite

प्रक्रिया के शुरुआती चरणों में एक बेहतर सामग्री की खोज की गई जो स्थिर 3D‑प्रिंटेबल सर्किट बोर्ड बना सके। कई शोधों के बाद, टीम ने एक नया PCB कॉम्पोज़िट चुना जो बेस सामग्री के रूप में जल‑घुलनशील पॉलीविनाइल अल्कोहल (PVA) डाइइलेक्ट्रिक को एकीकृत करता है।

ध्यान देने योग्य बात यह है कि पॉलीविनाइल अल्कोहल (PVA) जल‑घुलनशील है और डुबोने के 24 घंटे के भीतर स्वतः विघटित होना शुरू हो जाता है। इन विशेषताओं ने इसे इंजीनियरों के लक्ष्यों के लिए आदर्श बना दिया। साथ ही, इसे बनाना महँगा नहीं है और यह आसानी से उपलब्ध है।

Dissolvable 3D Printed Electronics Wiring

वायरिंग के लिए टीम ने एक विशेष फ़िलामेंट जिसका नाम EGaIn (यूटेक्टिक गैलियम‑इंडियम) है, उपयोग किया। यह सामग्री एक लचीला लिक्विड मेटल है जिसे सीधे 3D प्रिंटर से लागू किया जा सकता है। यह तांबे की तरह चालक है और लगभग किसी भी आकार में फिट होने के लिए लागू किया जा सकता है, जिससे यह माइक्रोचिप्स के लिए आदर्श बनता है।

Electronic Components

वायरिंग के बाद, इलेक्ट्रॉनिक घटकों को 3D प्रिंटिंग प्रक्रिया के बाद मैन्युअल रूप से चिप में जोड़ा गया। इसके बाद टीम ने एक पॉलिमर गोंद सील लगाया, जो नमी को बाहर रखने के लिए डिज़ाइन किया गया था। गोंद की परत और चिप को 60°C पर एक घंटे तक गर्म किया गया ताकि प्रक्रिया पूरी हो सके।

Dissolving the Microchip

DissolvPCB अपने नाम पर खरा उतरता है। इसे केवल 24‑36 घंटे के लिए पानी में डुबोकर पूरी तरह से पुनः प्रक्रिया किया जा सकता है। और भी प्रभावशाली यह है कि PCB सब्सट्रेट को इकट्ठा करके नई चिप्स में प्रिंटिंग फ़िलामेंट के रूप में पुनः उपयोग किया जा सकता है। साथ ही, EGaIn से बनी वायरिंग छोटे धातु बूंदों में विभाजित हो जाती है, जिन्हें मैन्युअल रूप से रखे गए घटकों के साथ इकट्ठा करके पुनः उपयोग किया जा सकता है।

Designing Dissolvable 3D Printed Electronics

नई चिप्स को डिज़ाइन करने के लिए टीम ने एक विशेष CAD अपग्रेड बनाने का निर्णय लिया। ओपन‑सोर्स FreeCAD प्लग‑इन इंजीनियरों को पारंपरिक सर्किट स्कीमैटिक को स्वचालित रूप से 3D प्रिंट करने योग्य डिज़ाइनों में बदलना आसान बनाता है। यह दृष्टिकोण नई उपयोगकर्ता अपनाने को कम करेगा और इंजीनियरों को त्रि‑आयामी सर्किट ट्रेस बनाने में मदद करेगा, जिससे इसके उपयोग मामलों का विस्तार होगा।

Dissolvable 3D Printed Electronics Test

परीक्षण चरण के हिस्से के रूप में, टीम ने कई उपकरण बनाए। इन उपकरणों में एक ब्लूटूथ स्पीकर, एक फिज़ेट टॉय, और एक ग्रिपर हैंड शामिल थे। विशेष रूप से, ब्लूटूथ स्पीकर में डबल‑साइडेड PCB था, और फिज़ेट टॉय ने 3D सर्किट्स का उपयोग किया। टीम ने इन उपकरणों का परीक्षण पारंपरिक चिप्स वाले संस्करणों के विरुद्ध किया।

उनकी तुलना कार्यक्षमता और प्रदर्शन के परीक्षण से शुरू हुई। इसके बाद उन्होंने डिज़ाइन में चिप्स की तुलना की। इस चरण में 3D‑प्रिंटेड ट्रेस आयाम, न्यूनतम इन्सुलेशन दूरी, चालकता, करंट क्षमता और अन्य महत्वपूर्ण प्रदर्शन मीट्रिक पर प्रमुख विवरण दर्ज किए। उन्होंने उपकरण की तापमान और नमी सीमाओं का भी परीक्षण किया।

Dissolvable 3D Printed Electronics Test Results

परीक्षण परिणामों से पता चला कि नया चिप डिज़ाइन अपने पूर्ववर्तियों के तुल्य प्रदर्शन प्रदान करता है। यह समान क्षमताएँ देता है और बिना किसी समस्या के पारंपरिक चिप्स को आसानी से बदल सकता है। यह खोज भविष्य के अनुप्रयोगों के द्वार खोलती है।

रिकायकलिबिलिटी के संदर्भ में, नया चिप डिज़ाइन पिछले विकल्पों से बेहतर साबित हुआ। टीम ने नोट किया कि उनका एंड‑टू‑एंड दृष्टिकोण सरल जल‑डुबोने के माध्यम से आसान डिसअसेंबली और घटक पुनर्प्राप्ति को सक्षम बनाता है। उन्होंने दस्तावेज़ किया कि यह विधि स्थानीय स्तर पर की जा सकती है, विशेषज्ञता की आवश्यकता नहीं होती, और अन्य रीसाइक्लिंग विकल्पों की तुलना में बहुत अधिक पुनर्प्राप्ति दर प्रदान करती है।

विशेष रूप से, टीम ने PVA के लिए 99.4% और लिक्विड मेटल्स के लिए 98.6% की पुनर्प्राप्ति दर दर्ज की। ये प्रतिशत सभी पूर्व रीसाइक्लिंग और पुनर्प्राप्ति विधियों के प्रदर्शन से कई गुना अधिक हैं। साथ ही, टीम ने नोट किया कि सभी पुनः प्राप्त इलेक्ट्रिकल घटक कार्यात्मक बने रहे।

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Dissolvable 3D Printed Electronics Benefits

विघटनीय 3D प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स से कई लाभ प्राप्त हो सकते हैं। सबसे स्पष्ट लाभ यह है कि यह प्रक्रिया दुनिया में बढ़ते ई-अपशिष्ट को कम करेगी। यह सरल एडिटिव फ़ैब्रिकेशन प्रक्रिया अपने मूल डिज़ाइन में ही रीसाइक्लिंग को सम्मिलित करती है, जिससे एक परिपत्र अर्थव्यवस्था बनती है और कचरा घटता है।

Widely Available

इस अध्ययन का एक और बड़ा लाभ यह है कि यह व्यापक रूप से उपलब्ध सामग्रियों और प्रक्रियाओं पर निर्भर करता है। सभी सामग्री और यहाँ तक कि प्रिंटर भी किसी भी स्थानीय स्टोर या ऑनलाइन खरीदा जा सकता है। बिना किसी संशोधन के उपलब्ध प्रिंटर महँगा नहीं है और आवश्यकता पड़ने पर इसे विशेष कार्यों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

Flexibility

DissolvPCB नई स्तर की लचीलापन प्रदान करता है। एक ओर, CAD अपग्रेड इंजीनियरों को थ्रू‑होल (THT) और सतह‑माउंटेड (SMD) चिप डिज़ाइन आसानी से बनाने में सक्षम बनाता है। वे सिंगल‑ या डबल‑साइडेड असेंबली भी बना सकते हैं, जिससे भविष्य में लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक्स में इन चिप्स को स्थान मिल सकेगा।

Scalable

इंजीनियरों के काम से स्पष्ट एक और बड़ा लाभ प्रक्रिया की स्केलेबिलिटी है। चूंकि रीसाइक्लिंग प्रक्रिया को विशेष मशीन, गर्मी या रसायनों की आवश्यकता नहीं होती, इसे औद्योगिक अनुप्रयोगों में आसानी से स्केल किया जा सकता है। इसलिए, यह रणनीति भविष्य में कचरा रोकथाम के लिए सबसे अच्छा विकल्प लगती है।

Real-World Applications and Timeline for Dissolvable Electronics

विघटनीय इलेक्ट्रॉनिक्स के कई वास्तविक‑विश्व अनुप्रयोग हैं। एक ओर, वे प्रोटोटाइपिंग और अनुसंधान उद्देश्यों के लिए आदर्श होंगे। अनुसंधान एवं विकास (R&D) में बहुत कचरा उत्पन्न होता है। यह चिप डिज़ाइन प्रयोगात्मक कार्यों के लिए उपयुक्त है क्योंकि यह कचरे को समाप्त करता है और डिज़ाइन तथा अनुप्रयोगों में पूर्ण लचीलापन प्रदान करता है।

Working 3D Printed Electronics

यह निर्माण विधि अन्य प्रिंटिंग तरीकों के साथ मिलाकर कार्यशील इलेक्ट्रॉनिक्स बना सकती है। जब इसे प्रोग्रामेबल मैकेनिकल व्यवहार वाले प्रिंट डिज़ाइनों के साथ जोड़ा जाता है, तो यह जटिल प्रिंट्स को सक्षम बनाता है जो कंप्यूटर चिप्स से लेकर डिस्पोजेबल सेंसर तक के सभी क्षेत्रों में उपयोग किए जा सकते हैं।

Medical Applications

यदि इंजीनियर नमी के संपर्क को रोकने का विश्वसनीय तरीका खोज लेते हैं, तो ये चिप्स चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हो सकते हैं। कई चिकित्सा उपकरण, जैसे पेसमेकर, को प्रत्यारोपित और हटाने के लिए आक्रामक प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है।

भविष्य में, चिकित्सा पेशेवर इन उपकरणों को ऐसे पोर्ट के साथ बना सकते हैं जो आवश्यकता न रहने पर पानी से भरा जा सके। यह दृष्टिकोण उपकरण को घुलाने और संदूषण तथा सर्जिकल प्रक्रियाओं को कम करने में मदद करेगा।

Disposable Electronics

एक और प्रमुख उपयोग एक बार उपयोग होने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में होगा। वेप्स और अन्य डिवाइस जैसे डिस्पोजेबल इलेक्ट्रॉनिक्स को उनके जीवनकाल को ध्यान में रखकर बनाया जा सकता है। ये उपकरण, जो लैंडफ़िल को लगातार भरते हैं, अपने जीवन‑चक्र के हिस्से के रूप में आसानी से रीसायकल किए जा सकते हैं, जिससे भविष्य में वास्तव में डिस्पोजेबल इलेक्ट्रॉनिक्स का द्वार खुलता है।

Dissolvable 3D Printed Electronics Timeline

आप उम्मीद कर सकते हैं कि ये चिप्स अगले 5 वर्षों के भीतर इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रवेश करेंगे। पुनर्चक्रण योग्य चिप्स की मजबूत मांग है, और यह दृष्टिकोण इंजीनियरों को आवश्यक लचीलापन और प्रदर्शन प्रदान करता है। उनका काम भविष्य में सतत निर्माण प्रथाओं को प्रेरित करने में मदद करेगा।

Dissolvable 3D Printed Electronics Researchers

University of Maryland, Georgia Institute of Technology और अन्य संस्थानों के इंजीनियरों ने मिलकर विघटनीय 3D प्रिंटेड इलेक्ट्रॉनिक्स अध्ययन को उजागर किया। इस पेपर में Huaishu Peng, Zeyu Yan, SuHwan Hong, Huaishu Peng, Tingyu Cheng, और Josiah Hester को मुख्य योगदानकर्ता के रूप में सूचीबद्ध किया गया है।

इस परियोजना को Sandbox, Jagdeep Singh Family Makerspace, Terrapin Works, और BioWorkshop से वित्तीय और सामग्री समर्थन मिला। उन्हें National Science Foundation, Alfred P. Sloan Foundation, VMware, और Google से भी अनुदान प्राप्त हुए।

Dissolvable 3D Printed Electronics Future

DissolvPCB का भविष्य कुछ प्रमुख कारकों पर निर्भर करता है। एक ओर, टीम को अपने नए चिप डिज़ाइन की विश्वसनीयता और टिकाऊपन को प्रदर्शित करने के लिए और अधिक कार्य करना होगा। साथ ही, उन्हें यह सुनिश्चित करने के तरीकों की खोज जारी रखनी होगी कि चिप्स को रीसायक्लिंग के समय तक नमी के संपर्क से बचाया जा सके।

Investing in Semiconductor Manufacturing

चिप निर्माण क्षेत्र में कई कंपनियाँ हैं। ये कंपनियाँ इलेक्ट्रॉनिक्स और तकनीकी क्षेत्रों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं, आज के सबसे उन्नत उपकरणों को शक्ति प्रदान करती हैं। यहाँ एक कंपनी है जो चिप निर्माण में नवाचार का एक प्रमुख बल बनी हुई है।

Advanced Micro Devices Inc.

Advanced Micro Devices Inc. (AMD ) का शुभारंभ 1 मई 1969 को हुआ, ताकि उभरते कंप्यूटर बाजार को विश्वसनीय अर्धचालक प्रदान किए जा सकें। कंपनी की स्थापना Jerry Sanders और एक इंजीनियरों की टीम ने की थी, जो सभी Fairchild Semiconductor से आए थे।

Advanced Micro Devices ने 1970 में Am9300 शिफ्ट रजिस्टर के रिलीज़ के कारण बाजार में धूम मचा दी। 1982 तक, कंपनी ने Intel (INTC ) और अन्य उद्योग अग्रणीों के साथ साझेदारी स्थापित की थी। इस रणनीतिक साझेदारी ने ब्रांड पहचान और बाजार स्थिति को और मजबूत किया।