Розчинна електроніка, надрукована на 3D-принтері: подолання електронних відходів

Інженери Університету Меріленду та Технологічного інституту Джорджії об’єднали зусилля для створення першої розчинної електроніки, надрукованої за допомогою 3D-принтера. Новий процес переосмислює концепцію переробки, поєднуючи її з виробництвом для створення безперебійної циркулярної економіки. Ось як розчинна 3D-друкована електроніка може надихнути на створення нового покоління екологічно чистих пристроїв та багато іншого.

Електронні відходи є серйозною проблемою

У світі є проблема з технологіями. Не з сучасними та найновішими версіями, а із застарілими та зламаними пристроями, які продовжують заповнювати сміттєзвалища. Сучасна електроніка містить багато цінних деталей, але через метод їхньої конструкції майже неможливо або дуже невигідно витрачати час на переробку цих предметів. Як наслідок, ці пристрої швидко перетворюються на сміття.

Згідно зі Всесвітня організація охорони здоров'яЕлектронні відходи є основним фактором забруднення навколишнього середовища. Нещодавній звіт показує, що цього року буде викинуто приблизно 65 мільйонів тонн електронних відходів. На жаль, це на 3 мільйони тонн більше, ніж минулорічна статистика відходів. Ця статистика свідчить про небезпечну тенденцію, коли менше 22% електронних відходів переробляється.

Відходи комп'ютерних чіпів та вплив на навколишнє середовище

Якщо глибше заглибитися в те, які саме предмети викидаються, можна побачити, що комп'ютерні чіпи є одними з найпопулярніших і найшкідливіших для навколишнього середовища. Поточний галузевий стандарт для комп'ютерних чіпів базується на FR-4. Цей матеріал створюється шляхом поєднання скловолоконної тканини та епоксидної смоли. Потім чіпи ламінуються мідною фольгою з обох боків.

Боротьба з проблемами електронних відходів

Було зроблено багато спроб зменшити кількість електронних відходів, що утворюються в усьому світі. Ці підходи включають переосмислення виробничого процесу, дослідження екологічно чистих альтернатив матеріалам та пошук дешевших варіантів порівняно з існуючим станом речей.

Однак на шляху до скорочення кількості відходів залишаються значні перешкоди. По-перше, методи переробки є занадто дорогими та вимагають спеціального обладнання, що обмежує доступ лише промисловими учасниками. Крім того, процес переробки може вимагати збору та транспортування відходів на великі відстані, що збільшує витрати та ризики.

Дорогі методи

Крім того, поточний метод полягає у використанні тепла для відділення цінних компонентів від частин чіпів, придатних для переробки. Такий підхід може призвести до утворення токсичних випарів та інших забруднюючих речовин під час процесу переробки, що зводить нанівець його переваги. Крім того, він дуже енергоємний, що робить його експлуатацію дуже дорогою.

Ще однією важливою проблемою стратегій переробки друкованих плат є те, що ці пристрої створюються для виконання конкретних конструкцій продуктів. Таким чином, їх можна сплавляти разом різними способами та використовувати матеріали, що може ще більше ускладнити їх розділення під час процесу регенерації. Навіть найкращі програми переробки друкованих плат на основі FR-4 підтримують лише часткове відновлення цінних компонентів.

Дослідження розчинної електроніки, надрукованої на 3D-принтері

Навчання "DissolvPCB: повністю перероблювана електроніка, надрукована на 3D-принтері, з рідкометалевими провідниками та ПВА-підкладками 1«, який був представлений на УІСТ 2025, представила новий метод проектування та виготовлення, який дозволив відновлювати основні компоненти з низькими витратами. Нова конструкція мікросхеми під назвою DissolvPCB — це перша повністю перероблювана друкована плата, яка пропонує продуктивність на рівні з традиційними мікросхемами FDM.

Джерело - Arxiv

Розчин ПХБ

Удосконалений робочий процес проектування, виготовлення та переробки інтегрує 3D-друк FDM на основі PVA зі схемою рідкого металу EGaIn, забезпечуючи аналогічну продуктивність на платформі багаторазового використання. Вражаюче, що команда використала готові 3D-принтери FDM для створення нового чіпа.

Композитний друкований блок (PCBA)

Одним із перших кроків процесу було пошук кращого матеріалу, який би дозволив створювати стабільні друковані плати для 3D-друку. Після тривалих досліджень команда зупинилася на новому композиті для друкованої плати, основним матеріалом якого є водорозчинний діелектрик на основі полівінілового спирту (ПВС).

Примітно, що полівініловий спирт (ПВА) розчинний у воді та автоматично починає розкладатися протягом 24 годин після занурення. Ці характеристики зробили матеріал ідеальним для цілей інженера. Крім того, його виробництво не дороге та легкодоступне.

Розчинна 3D-друкована електроніка

Для проводки команда використала спеціальну нитку під назвою EGaIn (евтектичний галій-індій). Цей матеріал являє собою пластичний рідкий метал, який можна наносити безпосередньо на 3D-принтері. Він проводить струм, як мідь, і може бути застосований практично до будь-якої форми, що робить його ідеальним для мікрочіпів.

Електронні компоненти

Крім того, після процесу 3D-друку до чіпа були вручну додані електричні компоненти. Після цього команда нанесла полімерний клейовий герметизуючий шар, призначений для захисту від вологи. Після нанесення шар клею та чіп нагрівали до 60°C протягом години для завершення процесу.

Розчинення мікрочіпа

DissolvePCB повністю виправдовує свою назву. Його можна повністю переробити, просто зануривши у воду на 24-36 годин. Ще більш вражаючим є те, що підкладку друкованої плати можна зібрати та повторно використовувати як друкарський філамент у нових мікросхемах. Крім того, дроти, виготовлені з EGaIn, розділяються на крихітні металеві краплі, які можна зібрати та повторно використовувати разом із компонентами, розміщеними вручну.

Проектування розчинної електроніки, надрукованої на 3D-принтері

Для розробки своїх нових мікросхем команда вирішила створити спеціальне оновлення САПР. Плагін FreeCAD з відкритим кодом дозволяє інженерам легко перетворювати традиційні схеми на конструкції, які можна автоматично друкувати на 3D-принтері. Такий підхід допоможе зменшити кількість нових користувачів та полегшить інженерам створення тривимірних траєкторій схем, значно розширюючи сценарії використання.

Тест на розчинну 3D-друковану електроніку

В рамках тестування команда створила кілька пристроїв. Серед них були Bluetooth-колонка, іграшка-непосида та ручка-гриппер. Примітно, що Bluetooth-колонка мала двосторонню друковану плату, а іграшка-непосида використовувала 3D-схеми. Команда створила та протестувала ці пристрої у порівнянні з версіями, що використовують традиційні мікросхеми.

Їхні порівняння розпочалися з тестування функціональності та продуктивності. Потім вони перейшли до порівняння чіпів за конструкцією. Цей крок включав фіксацію ключових деталей щодо розмірів доріжок, надрукованих на 3D-принтері, мінімальних ізоляційних відстаней, провідності, струмової ємності та інших важливих показників продуктивності. Вони також перевірили межі нагрівання та вологості пристрою.

Результати випробувань розчинної електроніки, надрукованої на 3D-принтері

Результати випробувань показали, що нова конструкція чіпа була порівнянна за продуктивністю з її попередниками. Вона пропонує аналогічні можливості та може легко замінити традиційні чіпи без будь-яких проблем. Це відкриття відкриває шлях для майбутніх застосувань.

З точки зору можливості переробки, нова конструкція мікросхеми перевершила попередні варіанти. Команда зазначила, що їхній комплексний підхід дозволив легко розбирати та відновлювати компоненти шляхом простого занурення у воду. Вони задокументували, що цей метод можна використовувати локально, не вимагає досвіду та забезпечує набагато вищий рівень відновлення, ніж інші варіанти переробки.

Зокрема, команда зафіксувала коефіцієнти відновлення до 99.4% для ПВА та 98.6% для рідких металів. Ці відсотки перевершують ефективність усіх попередніх методів переробки та відновлення. Крім того, команда зазначила, що всі відновлені електричні компоненти залишилися функціональними.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Переваги розчинної електроніки, надрукованої на 3D-принтері

Розчинна 3D-друкована електроніка може мати багато переваг. Очевидна перевага полягає в тому, що цей процес зменшить зростаючу кількість електронних відходів, які отруюють світ. Цей простий адитивний виробничий процес має вбудовану переробку, створюючи циркулярну економіку та зменшуючи кількість відходів.

Широко доступний

Ще однією важливою перевагою цього дослідження є те, що воно спирається на широкодоступні матеріали та процеси. Усі матеріали та навіть принтер може придбати будь-хто в місцевих магазинах або онлайн. Готовий немодифікований принтер коштує недорого та за потреби може бути адаптований для спеціалізованих завдань.

Гнучкість

DissolvPCB відкриває двері для нового рівня гнучкості. По-перше, оновлення CAD дозволяє інженерам легко створювати конструкції мікросхем для наскрізного монтажу (THT) та поверхневого монтажу (SMD). Вони також можуть створювати одно- або двосторонні збірки, що дозволить цим мікросхемам знайти своє місце майже у всій електроніці в майбутньому.

Масштабованість

Ще однією важливою перевагою, яку можна визначити з роботи інженера, є масштабованість процесу. Оскільки процес переробки не вимагає спеціального обладнання, тепла чи хімікатів, його дуже легко масштабувати до промислового застосування. Таким чином, здається, що ця стратегія може бути найкращим варіантом для запобігання утворенню відходів у майбутньому.

Реальні застосування та часові рамки для розчинної електроніки

Існує багато реальних застосувань для розчинної електроніки. По-перше, вона ідеально підійде для створення прототипів та дослідницьких цілей. Під час досліджень та розробок утворюється багато відходів. Цей дизайн мікросхеми ідеально підходить для експериментів, оскільки він усуває відходи та забезпечує повну гнучкість у проектуванні та застосуванні.

Робоча електроніка, надрукована на 3D-принтері

Цей метод виготовлення можна поєднувати з іншими методами друку для створення функціональної електроніки. У поєднанні з друкованими конструкціями, що мають програмовані механічні характеристики, ця стратегія виготовлення дозволяє створювати складні друковані матеріали, які можна використовувати для всього, від комп'ютерних чіпів до одноразових датчиків.

Медичні програми

Якщо інженери зможуть знайти надійний спосіб запобігання попередньому впливу вологи, ці чіпи можуть бути ідеальними для медичного застосування. Існує кілька медичних пристроїв, таких як кардіостимулятори, імплантація та видалення яких потребують інвазивних процедур.

У майбутньому медичні працівники можуть створити ці пристрої з портом, який дозволить їх заливати водою, коли вони більше не потрібні. Такий підхід може допомогти розчинити пристрій і зменшити кількість забруднень і хірургічних процедур.

Одноразова електроніка

Ще одним важливим застосуванням буде світ одноразової електроніки. Одноразова електроніка, така як вейпи та інші пристрої, може бути створена з урахуванням терміну служби. Ці пристрої, які продовжують заполонювати сміттєзвалища, можуть бути легко перероблені в рамках їхнього життєвого циклу, відкриваючи шлях для справді одноразової електроніки в майбутньому.

Хронологія розчинної електроніки, надрукованої на 3D-принтері

Ви можете очікувати, що ці мікросхеми знайдуть своє застосування в електроніці протягом наступних 5 років. Існує великий попит на мікросхеми, що підлягають переробці, і цей підхід пропонує інженерам гнучкість та продуктивність, необхідні їм. Їхня робота допоможе надихнути на впровадження практик сталого виробництва в майбутньому.

Дослідники розчинної 3D-друкованої електроніки

Інженери з Університету Меріленду, Технологічного інституту Джорджії та інших установ працювали разом, щоб представити дослідження розчинної електроніки, надрукованої на 3D-принтері. У статті зазначено, що основними авторами дослідження є Хуайшу Пенг, Зею Ян, Су Хван Хонг, Хуайшу Пенг, Тінг'ю Ченг та Джосія Хестер.

Проєкт отримав фінансову та матеріальну підтримку від Sandbox, Jagdeep Singh Family Makerspace, Terrapin Works та BioWorkshop. Вони також отримали гранти від Національного наукового фонду та Фонду Альфреда П. Слоуна, VMware та Google.

Майбутнє розчинної 3D-друкованої електроніки

Майбутнє DissolvPCB залежить від кількох ключових факторів. По-перше, команді потрібно виконати більше роботи, щоб продемонструвати надійність та довговічність своєї нової конструкції мікросхеми. Крім того, вони повинні продовжувати шукати способи захисту мікросхем від вологи, поки не настане час їх переробляти.

Інвестування у виробництво напівпровідників

У сфері виробництва мікросхем існує багато компаній. Ці компанії відіграють життєво важливу роль в секторах електроніки та технологій, забезпечуючи роботу найсучасніших пристроїв сучасності. Ось одна компанія, яка залишається інноваційною силою у виробництві мікросхем.

Advanced Micro Devices Inc.

Компанія Advanced Micro Devices Inc. була заснована 1 травня 1969 року з метою забезпечення надійними напівпровідниками ринку комп'ютерів, що розвивався. Компанію заснував Джеррі Сандерс та команда інженерів, які всі вийшли з Fairchild Semiconductor.

Компанія Advanced Micro Devices вийшла на ринок з фурором завдяки випуску регістра зсуву Am9300 у 1970 році. До 1982 року компанія уклала угоди про партнерство з лідером галузі Intel та іншими компаніями. Це стратегічне партнерство сприяло подальшій впізнаваності бренду та позиціонуванню на ринку.

Компанія продовжувала розширювати межі продуктивності зі своїми процесорами Athlon. Це були перші чіпи, які досягли тактової частоти 1 ГГц, що допомогло компанії отримати сильну підтримку виробників. Сьогодні Advanced Micro Devices є лідером у галузі ігор, розробки чіпів, центрів обробки даних та графічних процесорів, серед іншого.

Останні новини та показники акцій Advanced Micro Devices (AMD)

Розчинна електроніка, надрукована на 3D-принтері | Висновок

Легко зрозуміти, чому розчинна електроніка, надрукована за допомогою 3D-принтера, може відкрити шлях до безпечнішої та здоровішої економіки. Ці пристрої можуть гарантувати, що звалища не будуть переповнені, а застарілі електронні компоненти не потраплять у наше довкілля. З цих та багатьох інших причин ці інженери заслуговують на овації.

Дізнайтеся про інші цікаві прориви в 3D-друку тут.

Список використаної літератури:

^{1. Ян, З., Хонг, С., Хестер, Дж., Ченг, Т. та Пенг, Х. (2025 липня 29 р.). DissolvPCB: повністю перероблювана електроніка, надрукована на 3D-принтері, з рідкометалевими провідниками та ПВА-підкладками (arXiv:2507.22193). arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.22193}