Oppløselig 3D-printet elektronikk: Slutt med e-avfall

Ingeniører fra University of Maryland og Georgia Institute of Technology samarbeidet for å lage den første oppløselige 3D-printede elektronikken. Den nye prosessen tenker nytt om konseptet resirkulerbarhet, og slår det sammen med produksjon for å skape en sømløs sirkulær økonomi. Slik kan oppløselig 3D-printet elektronikk inspirere en ny generasjon bærekraftige enheter og mer.

Elektronisk avfall er en stor bekymring

Verden har et problem med teknologien sin. Ikke de nåværende og nyeste versjonene, men de utdaterte og ødelagte gjenstandene som fortsetter å fylle søppelfyllinger. Elektronikk i dag har mange verdifulle deler, men på grunn av konstruksjonsmetoden er det nesten umulig eller svært ulønnsomt å ta seg tid til å gjenvinne disse gjenstandene. Følgelig blir disse enhetene raskt søppel.

Ifølge World Health OrganizationElektronisk avfall er en stor bidragsyter til global forurensning. En fersk rapport viser at omtrent 65 millioner tonn med elektronisk avfall vil bli kastet i år. Dessverre representerer dette en økning på 3 millioner tonn i forhold til fjorårets avfallsstatistikk. Denne statistikken avslører en farlig trend der mindre enn 22 % av elektronisk avfall noen gang blir resirkulert.

Avfall fra databrikker og miljøpåvirkning

Når man dykker dypere inn i nøyaktig hva slags gjenstander som kastes, kan man se at databrikker er blant de mest populære og miljøskadelige. Den nåværende industristandarden for databrikker er basert på FR-4. Dette materialet lages ved å kombinere glassfiberduk og epoksyharpiks. Deretter lamineres brikkene med kobberfolie på begge sider.

Bekjempelse av utfordringer med e-avfall

Det har vært mange forsøk på å redusere mengden elektronisk avfall som produseres globalt. Disse tilnærmingene inkluderer å tenke nytt om produksjonsprosessen, undersøke miljøvennlige materialalternativer og finne billigere alternativer til status quo.

Det gjenstår imidlertid betydelige hindringer i arbeidet med å redusere avfallsmengden. For det første er resirkuleringsmetoder for dyre og krever spesialmaskineri, noe som begrenser tilgangen til kun industrielle aktører. I tillegg kan resirkuleringsprosessen kreve at avfall samles inn og transporteres over lange avstander, noe som øker kostnader og risikoer.

Kostbare metoder

I tillegg dreier den nåværende metoden seg om å bruke varme til å separere verdifulle komponenter fra de resirkulerbare delene av brikken. Denne tilnærmingen kan produsere giftige gasser og andre forurensende stoffer under resirkuleringsprosessen, noe som oppveier fordelene. Den er også svært energikrevende, noe som gjør den svært dyr i drift.

Et annet stort problem med strategier for resirkulering av PCB-brikker er at disse enhetene er laget for å oppfylle produktspesifikke design. Som sådan kan de smeltes sammen på forskjellige måter og ved bruk av materialer som kan gjøre dem enda vanskeligere å separere under gjenvinningsprosessen. Selv de beste FR-4-baserte PCB-resirkuleringsprogrammene støtter bare delvis gjenvinning av de verdifulle komponentene.

Studie av oppløselig 3D-printet elektronikk

Studien "DissolvPCB: Fullt resirkulerbar 3D-printet elektronikk med flytende metallledere og PVA-substrater 1«, som ble presentert kl. UIST 2025, introduserte en ny design- og fabrikasjonsmetode som muliggjorde rimelig gjenvinning av kjernekomponenter. Den nye brikkedesignen, kalt DissolvPCB, er det første fullstendig resirkulerbare PCB-et som tilbyr ytelse på nivå med tradisjonelle FDM-brikker.

Kilde - arxiv

Oppløs PCB

Den forbedrede arbeidsflyten for design, fabrikasjon og resirkulering integrerer PVA-basert FDM 3D-printing med EGaIn-kretser for flytende metall for å gi lignende ytelse fra en gjenbrukbar plattform. Imponerende nok brukte teamet standard FDM 3D-printere for å lage den nye brikken.

PCBA-kompositt

Et av de første trinnene i prosessen var å oppdage et bedre materiale som kunne lage stabile 3D-printbare kretskort. Etter mye research bestemte teamet seg for en ny PCB-kompositt som integrerer et vannløselig polyvinylalkohol (PVA) dielektrikum som basismateriale.

Det er verdt å merke seg at polyvinylalkohol (PVA) er vannløselig og vil automatisk begynne å dekomponere innen 24 timer etter nedsenking. Disse egenskapene gjorde materialet ideelt for ingeniørens mål. I tillegg er det ikke dyrt å lage og lett tilgjengelig.

Oppløselig 3D-printet elektronikkledningsnett

Til kablingen brukte teamet et spesielt filament kalt EGaIn (eutektisk gallium-indium). Dette materialet er et formbart flytende metall som kan påføres direkte fra en 3D-printer. Det er ledende som kobber og kan påføres for å passe til nesten enhver form, noe som gjør det ideelt for mikrobrikker.

Elektroniske komponenter

I tillegg ble elektriske komponenter manuelt festet til brikken etter 3D-printingsprosessen. Derfra påførte teamet en polymerlimforsegling, designet for å holde fuktighet ute. Etter påføring ble limlaget og brikken varmet opp til 60 °C i en time for å fullføre prosessen.

Oppløsning av mikrobrikken

DissolvePCB lever opp til navnet sitt. Det kan fullstendig resirkuleres ved å bare senke det ned i vann i 24–36 timer. Enda mer imponerende er at PCB-substratet kan samles opp og gjenbrukes som trykkfilament i nye brikker. I tillegg separeres ledningene laget av EGaIn i små metalldråper, som kan samles opp og gjenbrukes, sammen med de manuelt plasserte komponentene.

Design av oppløselig 3D-printet elektronikk

For å designe de nye brikkene sine bestemte teamet seg for å lage en spesiell CAD-oppgradering. FreeCAD-pluginen med åpen kildekode gjør det enkelt for ingeniører å konvertere tradisjonelle kretsskjemaer til design som kan 3D-printes automatisk. Denne tilnærmingen vil bidra til å redusere bruk av nye brukere og gjøre det enklere for ingeniører å lage tredimensjonale kretsspor, noe som utvider bruksscenariene betydelig.

Test av oppløselig 3D-printet elektronikk

Som en del av testfasen laget teamet flere enheter. Disse enhetene inkluderte en Bluetooth-høyttaler, en fidget-leke og en gripehånd. Det er verdt å merke seg at Bluetooth-høyttaleren hadde et dobbeltsidig PCB, og fidget-leketøyet benyttet seg av 3D-kretser. Teamet bygde og testet disse enhetene mot versjoner som bruker tradisjonelle brikker.

Sammenligningene deres startet med å teste funksjonalitet og ytelse. Deretter gikk de videre til å sammenligne brikkene i design. Dette trinnet involverte å fange opp viktige detaljer om 3D-printede spordimensjoner, minimum isolasjonsavstander, konduktivitet, strømkapasitet og andre viktige ytelsesmålinger. De testet også enhetens varme- og fuktighetsgrenser.

Resultater av oppløselig 3D-printet elektronikktest

Testresultatene viste at den nye brikkedesignen var sammenlignbar i ytelse med forgjengerne. Den tilbyr lignende funksjoner og kan enkelt brukes til å erstatte de tradisjonelle brikkene uten problemer. Denne oppdagelsen åpner døren for fremtidige bruksområder.

Når det gjelder resirkulerbarhet, overgikk den nye brikkedesignen tidligere alternativer. Teamet bemerket at deres helhetlige tilnærming muliggjorde enkel demontering og gjenvinning av komponenter gjennom enkel vannnedsenking. De dokumenterte at denne metoden kan gjøres lokalt, ikke krever ekspertise og gir et mye høyere gjenvinningsutbytte enn andre resirkuleringsalternativer.

Mer spesifikt registrerte teamet gjenvinningsrater på opptil 99.4 % for PVA og 98.6 % for flytende metaller. Disse prosentsatsene overgår ytelsen til alle tidligere resirkulerings- og gjenvinningsmetoder. I tillegg bemerket teamet at alle gjenvunnede elektriske komponenter forble funksjonelle.

Sveip for å bla →

Fordeler med oppløselig 3D-printet elektronikk

Det er mange fordeler med oppløselig 3D-printet elektronikk. Den åpenbare fordelen er at prosessen vil redusere den økende mengden e-avfall som plager verden. Denne enkle additive produksjonsprosessen har resirkulering innebygd i kjernedesignet, noe som skaper en sirkulær økonomi og reduserer avfall.

Allment tilgjengelig

En annen stor fordel med denne studien er at den er avhengig av allment tilgjengelige materialer og prosesser. Alle materialene og til og med skriveren kan kjøpes av hvem som helst i lokale butikker eller på nett. Den standard umodifiserte skriveren koster ikke mye og kan tilpasses spesialiserte oppgaver om nødvendig.

Fleksibilitet

DissolvPCB åpner døren for et nytt nivå av fleksibilitet. For det første lar CAD-oppgraderingen ingeniører enkelt lage hullmonterte (THT) og overflatemonterte (SMD) brikkedesign. De kan også lage en- eller tosidige monteringer, slik at disse brikkene vil finne et hjem i nesten all elektronikk i fremtiden.

Skalerbar

Et annet stort pluss som kan utledes fra ingeniørens arbeid er prosessens skalerbarhet. Siden resirkuleringsprosessen ikke krever spesielle maskiner, varme eller kjemikalier, er den veldig enkel å skalere opp til industrielle applikasjoner. Som sådan ser det ut til at denne strategien kan være det beste alternativet for avfallsforebygging fremover.

Virkelige applikasjoner og tidslinje for oppløselig elektronikk

Det finnes mange praktiske bruksområder for oppløselig elektronikk. For det første ville de være ideelle for prototyping og forskningsformål. Det produseres mye avfall i FoU. Denne brikkedesignen er ideell for eksperimentering, da den eliminerer avfall og gir full fleksibilitet i design og bruksområder.

Arbeid med 3D-printet elektronikk

Denne fabrikasjonsmetoden kan kombineres med andre utskriftsmetoder for å lage fungerende elektronikk. Når den kombineres med utskriftsdesign som har programmerbar mekanisk oppførsel, muliggjør denne fabrikasjonsstrategien komplekse utskrifter som kan brukes til alt fra databrikker til engangssensorer.

Medisinske applikasjoner

Hvis ingeniørene kan finne en pålitelig måte å forhindre forhåndseksponering for fuktighet, kan disse brikkene være ideelle for medisinske applikasjoner. Det finnes flere medisinske enheter, som pacemakere, som krever invasive prosedyrer for å implantere og fjerne.

I fremtiden kan helsepersonell lage disse enhetene med en port som gjør at de kan fylles med vann når de ikke lenger er nødvendige. Denne tilnærmingen kan bidra til å løse opp enheten og redusere forurensning og kirurgiske inngrep.

Engangselektronikk

En annen viktig bruksområder ville være i verdenen av engangselektronikk. Engangselektronikk som vape- og andre enheter kan lages med tanke på levetiden. Disse enhetene, som fortsetter å oversvømme søppelfyllinger, kan enkelt resirkuleres som en del av livssyklusen, noe som åpner døren for virkelig engangselektronikk i fremtiden.

Tidslinje for oppløselig 3D-printet elektronikk

Du kan forvente å se disse brikkene finne veien inn i elektronikken innen de neste fem årene. Det er sterk etterspørsel etter resirkulerbare brikker, og denne tilnærmingen gir fleksibiliteten og ytelsen ingeniører trenger. Arbeidet deres vil bidra til å inspirere til bærekraftig produksjonspraksis fremover.

Forskere innen oppløselig 3D-printet elektronikk

Ingeniører fra University of Maryland, Georgia Institute of Technology og andre institusjoner samarbeidet for å belyse studien av oppløselig 3D-printet elektronikk. Artikkelen lister opp Huaishu Peng, Zeyu Yan, SuHwan Hong, Huaishu Peng, Tingyu Cheng og Josiah Hester som hovedbidragsytere.

Prosjektet mottok økonomisk og materiell støtte fra Sandbox, Jagdeep Singh Family Makerspace, Terrapin Works og BioWorkshop. De mottok også tilskudd fra National Science Foundation og Alfred P. Sloan Foundation, VMware og Google.

Fremtiden for oppløselig 3D-printet elektronikk

Fremtiden til DissolvPCB avhenger av noen viktige faktorer. For det første må teamet gjøre mer arbeid for å demonstrere påliteligheten og holdbarheten til den nye brikkedesignen. I tillegg må de fortsette å utforske måter å sikre at brikkene unngår eksponering for fuktighet inntil det er på tide å resirkulere dem.

Investering i halvlederproduksjon

Det finnes mange selskaper innen chipfabrikasjon. Disse selskapene spiller en viktig rolle i elektronikk- og teknologisektoren, og driver dagens mest avanserte enheter. Her er ett selskap som fortsatt er en innovativ kraft innen chipfabrikasjon.

Advanced Micro Devices Inc.

Advanced Micro Devices Inc. ble lansert 1. mai 1969 for å tilby pålitelige halvledere til det spirende datamarkedet. Selskapet ble grunnlagt av Jerry Sanders og et team av ingeniører som alle kom fra Fairchild Semiconductor.

Advanced Micro Devices kom inn på markedet med et brak på grunn av lanseringen av skiftregisteret Am9300 i 1970. I 1982 hadde selskapet avtaler på plass som ga dem samarbeid med bransjelederen Intel og andre. Dette strategiske partnerskapet bidro til å fremme merkevaregjenkjenning og markedsposisjonering.

Selskapet fortsatte å presse ytelsesgrensene med sine Athlon-prosessorer. Dette var de første brikkene som oppnådde en klokkehastighet på 1 GHz, noe som hjalp selskapet med å få sterk støtte fra produsenter. I dag er Advanced Micro Devices en leder innen spill-, brikkeutviklings-, datasenter- og GPU-industrien, blant annet.

Siste nytt om aksjer og resultater fra Advanced Micro Devices (AMD)

Oppløselig 3D-printet elektronikk | Konklusjon

Det er lett å se hvorfor oppløselig 3D-printet elektronikk kan åpne døren for en tryggere og sunnere økonomi. Disse enhetene kan sikre at søppelfyllinger ikke blir overfylt og at utdaterte elektroniske komponenter ikke havner i miljøet vårt. Av disse grunnene og mange flere fortjener disse ingeniørene stående applaus.

Lær om andre kule gjennombrudd innen 3D-printing her..

Referanser:

^{1. Yan, Z., Hong, S., Hester, J., Cheng, T., og Peng, H. (2025. juli 29). DissolvPCB: Fullt resirkulerbar 3D-printet elektronikk med flytende metallledere og PVA-substrater (arXiv:2507.22193). arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.22193}