Wichtige Dinge, die Sie wissen sollten:
- Evolution der Massenproduktion: Der Übergang von der Durchsteckmontage zur Oberflächenmontage Technologie hat die Größe und Kosten der Elektronik erheblich reduziert und ermöglicht so eine Massenproduktion und einen weltweiten Vertrieb.
- Umwelt- und ethische Bedenken: Die Elektronikindustrie steht vor Herausforderungen im Zusammenhang mit Elektroschrott, Umweltschäden durch die Rohstoffgewinnung und ethischen Problemen an Produktionsstandorten.
- Lokalisiertes Fertigungspotenzial: Neue Technologien wie der 3D-Druck könnten die Fertigung dezentralisieren, die Umweltbelastung verringern und die lokale Wirtschaft fördern.
- Technologische Wegbereiter: Fortschritte im 3D-Druck, in der gedruckten Elektronik, in der CNC-Bearbeitung und in der Lasergravur sind der Schlüssel zur Verwirklichung der Vision von Mikrofabriken und nachhaltigen Fertigungspraktiken.
Das Standardmodell der Massenproduktion und der Umfang des Betriebs haben dazu geführt, dass Elektronik unglaublich günstig und allgemein verfügbar geworden ist. Aber wird die Fertigung angesichts der zunehmenden Beliebtheit neuer Fertigungstechnologien wie 3D immer dezentralisierter? Vor welchen Herausforderungen steht die Elektronikindustrie in Bezug auf Herstellung und Vertrieb? Könnte die lokale Fertigung populär werden und welche Technologien würden eine solche Zukunft ermöglichen?
Die modernen Herausforderungen der Elektronik
Seit der Einführung der Elektronikindustrie ist es allgemein anerkannt, dass Elektronikgeräte erschwinglich und zugänglich sein müssen, wenn es muss werden so klein wie möglich und maßstabsgetreu hergestellt. Da es sich bei den ersten Bauteilen um Durchgangsbohrungen handelte, waren Tausende erfahrener Produktionsarbeiter erforderlich, um die Bauteile durch die Leiterplatten zu führen, die Beine zu löten und überschüssige Bauteilleitungen zu entfernen. Diese Produktionsmethode erschwerte die Massenfertigung.
Als die Oberflächenmontagetechnologie aufkam, schrumpfte die Größe der Leiterplatten rapide, was nicht nur die Herstellung billiger machte, sondern auch komplexere Designs ermöglichte. Aber es war die Einführung von Pick-and-Place, die es wirklich ermöglichte, Elektronik viel zugänglicher zu machen.
Schließlich hat die große Stückzahl von Pick-and-Place- und oberflächenmontierten Teilen in Kombination mit industrieller Standardisierung und der Verwendung gemeinsamer Komponenten zu einer Branche geführt, die schnell expandieren, schnell skalieren und Märkte auf der ganzen Welt erreichen kann. Zur Veranschaulichung: Ganze Spulen mit Kondensatoren und Widerständen mit Tausenden von Komponenten können für Dollar gekauft werden, viele Mikrocontroller liegen mittlerweile im Cent-Bereich und die weitverbreitete Verwendung von SoCs ermöglicht äußerst komplexe Designs bei gleichzeitig extrem kleiner Größe.
Das zweischneidige Schwert der Massenproduktion in der Elektronik
Doch trotz aller Vorteile, die die Massenproduktion in der Elektronikbranche mit sich bringt, gibt es eine Reihe von Problemen, die die Branche weiterhin plagen. Der groß angelegte Charakter der Elektronikfertigung und die unglaublich niedrigen Kosten der Komponenten haben eine Wegwerfgesellschaft gefördert, was dazu geführt hat, dass einwandfrei verwendbare Geräte ihren Weg auf Mülldeponien finden.
Diese weltweite Produktion von Elektroschrott ist nicht nur wirtschaftlich verschwenderisch sondern trägt auch zu schwerwiegenden Umweltschäden bei. Obwohl moderne Komponenten selten schädliche Verbindungen (wie Blei und Cadmium) enthalten, gibt es eine enorme Menge an Elektroschrott aus Vergangenheit und Gegenwart, der dies tut, und wenn dieser Abfall unsachgemäß entsorgt wird (entweder durch Deponierung oder Verbrennung), werden diese Es werden Verbindungen in die Umwelt freigesetzt, die die Luft und das Grundwasser verschmutzen können.
Der Massenverbrauch von Elektronik bringt auch Herausforderungen hinsichtlich der CO2-Produktion und Umweltschäden durch den Rohstoffabbau mit sich. Einfach ausgedrückt: Damit Elektronik günstig bleibt, muss sie in Millionenmengen hergestellt werden, und dazu müssen große Mengen an Materialien beschafft, abgebaut und verarbeitet werden.
Da sich viele dieser Minen in Entwicklungsländern befinden, wird der Umwelt oft wenig Beachtung geschenkt, was oft zu dauerhaften Schäden in den lokalen Gebieten führt. Da diese Mineralien häufig dort verarbeitet werden, wo sie abgebaut werden, schädigt der Einsatz umweltschädlicher Verfahren zusätzlich sowohl die lokale Umwelt als auch das Klima im Allgemeinen.
Überbrückung der Kluft: Von Umweltauswirkungen zu Recycling-Herausforderungen
Eins Eine mögliche Lösung besteht darin, Elektronik zu recyceln, aber das ist viel leichter gesagt als getan. Zunächst einmal kann es schwierig sein, Schaltkreise für Teile zu verschrotten, wenn diese aus SMD-Teilen bestehen, da sie extrem klein sind und neue SMD-Teile extrem billig sind (was die Wiederverwertung von Bauteilen unwirtschaftlich macht). Zweitens erfordern Schaltkreise häufig ein gewisses Maß an Zuverlässigkeit. Die Tatsache, dass gebrauchte Komponenten nicht die gleichen Garantien bieten können wie neue Teile, bedeutet, dass sie für neue Designs einfach nicht geeignet sind.
Die Gewinnung von Edelmetallen aus PCBs ist möglich, aber da dabei extrem korrosive Verbindungen zum Einsatz kommen, müssen diese recycelt werden PCBs erfordern höchste Vorsicht. Solche Prozesse erfordern außerdem viel Handarbeit, das Trennen von Bauteilen von der Platine, das Isolieren von Teilen mit Edelmetallen und die zahlreichen damit verbundenen chemischen Schritte. Daher ist die Gewinnung von Edelmetallen nur dann wirtschaftlich, wenn sie in großem Maßstab erfolgt.
Von Recycling-Hürden zu Sicherheitsbedenken: Navigieren in der komplexen Landschaft
Eine weitere Herausforderung bei moderner Elektronik besteht darin, dass viele Geräte häufig in Fernost hergestellt werden und die Sicherheit und Privatsphäre dieser Geräte nur schwer gewährleistet werden kann. Beispielsweise werden jedes Jahr Millionen von Smart-Home-IoT-Geräten von chinesischen Herstellern produziert, und die niedrigen Kosten dieser Geräte machen sie besonders in der aktuellen Krise der Lebenshaltungskosten äußerst wünschenswert.
Aber, das ist wahrscheinlich Diese Geräte verfügen entweder über einen Hintertürzugriffoder über versteckte Hardware/Software verfügen, um Fernangriffe durchzuführen (etwas, an dem die Kommunistische Partei Chinas bekanntermaßen beteiligt ist). Darüber hinaus werden die von diesen Geräten gesammelten Daten wahrscheinlich auf chinesischen Servern gespeichert, auf die die chinesische Regierung zweifellos Zugriff hat (was die chinesische Regierung per Gesetz eingeführt hat).
Um all dies zusammenzufassen: Die Elektronikindustrie hat enorm von groß angelegten Produktionstechniken profitiert, doch die Umwelt hat dabei weiterhin zu kämpfen, elektronische Geräte lassen sich nicht einfach recyceln und große Produktionsmengen werden möglicherweise an weit entfernten Orten durchgeführt nicht über die besten Werksrechte verfügen, schlechte Herstellungspraktiken aufweisen und Verbraucherrechte verletzen.
Könnte eine lokale Fertigung die Lösung sein?
Wenn man sich ansieht, wie Marktkräfte und Industrieprozesse funktionieren, kann man sich kaum eine andere Fertigungstopologie vorstellen als die, die derzeit die Welt dominiert; Massenproduktion in großen Anlagen. Das Aufkommen neuer Technologien wie dem 3D-Druck könnte dies jedoch bald ändern, im Wesentlichen Herstellung zu einem dezentralen Prozess machen.
Die Idee hinter der lokalen Miniaturfertigung besteht darin, dass nicht alle Produkte in einer Fabrik hergestellt und dann in die ganze Welt verschickt werden, sondern die Geräte dort hergestellt werden, wo sie benötigt werden. Dabei kommen Technologien zum Einsatz, mit denen sich Teile problemlos im Einzelmaßstab (im Gegensatz zum Großmaßstab) herstellen lassen. . Ein solcher Standort wäre auch ideal für das Recycling von Elektroschrott, wo Geräte eingetauscht, verwertet und nachhaltig in Rohstoffe umgewandelt werden können, die später in anderen Produkten verwendet werden können.
Vision einer nachhaltigen Zukunft: Die Rolle der lokalen Fertigung und des Recyclings
Beispielsweise könnten alte Handyhüllen aus recyceltem Kunststoff zerkleinert und zu Filamenten verarbeitet werden, aus denen dann neue Hüllen hergestellt werden könnten. Das Gleiche gilt für Smartphones, bei denen wichtige Komponenten (Prozessor, Speicher und Bildschirm) entnommen und der Rest des Geräts ordnungsgemäß recycelt werden können.
Natürlich würde eine solche Mikrofabrik eine grundlegende Änderung in der Art und Weise erfordern, wie Ingenieure Produkte entwickeln. Anstatt sich auf komplexe, einzigartige Designs zu verlassen, müssten Geräte aus häufig verwendeten Teilen hergestellt werden, die leicht zusammengefügt werden können. Im Falle von Smartphones müssten zukünftige Geräte einen einzigen Anschluss verwenden, der für alle Bildschirmgrößen funktioniert (ähnlich einem Micro-HDMI) und eine gemeinsame Architektur im Motherboard haben.
Solche Mikrofabriken würden auch dazu beitragen, lokale Gebiete zu stärken, insbesondere solche, die abgelegen sind. Anstatt Geräte Tausende von Kilometern entfernt transportieren zu müssen, könnte es möglich sein, ein Produkt von Grund auf neu bauen zu lassen. Da recycelte Materialien vor Ort in der Mikrofabrik aufbewahrt würden, wären die Auswirkungen des Verbrauchs auf die Umwelt minimal, während gleichzeitig genau die Dienstleistungen bereitgestellt würden, die die Einheimischen benötigen.
Welche Technologien könnten eine solche Zukunft ermöglichen?
Beim aktuellen Stand der Technik ist die Idee einer Mikrofabrik eher ein Traum als eine Realität, aber das heißt nicht, dass das Konzept noch lange nicht verwirklicht ist.
Die wichtigste Technologie zur Ermöglichung einer solchen Zukunft ist der 3D-Druck, und zwar aufgrund seiner Fähigkeit, jede beliebige Form herzustellen, ohne dass Formen oder komplexe schwere Maschinen erforderlich sind. Da der 3D-Druck mit einer Vielzahl recycelter Materialien eingesetzt werden kann, eignet er sich ideal für den Einsatz in einem örtlichen Recyclingzentrum, wo alte Materialien zerkleinert und in Pellets und/oder Filamente umgewandelt werden.
Außerdem, weil 3D-Drucker können mehrere Materialien gleichzeitig druckenMit ihnen können komplexe Designs erstellt werden, bei denen Komponenten direkt in die Innenteile eines Gehäuses gedruckt werden (z. B. eine Antenne).
Fortschritte im 3D-Druck und in der gedruckten Elektronik: Pionierarbeit für die Zukunft der Mikrofabriken
Eine weitere wichtige Technologie, von der Mikrofabriken profitieren werden, ist die gedruckte Elektronik. Ähnlich wie bei 3D-Druckern, Bei gedruckter Elektronik handelt es sich um Schaltkreise, die hergestellt werden können vollständig aus traditionellen Drucktechnologien (z. B. Tintenstrahldrucker). Im Gegensatz zu 3D-Druckern kann gedruckte Elektronik extrem kleine Details aufweisen, was sie ideal für den Druck passiver Komponenten auf komplexen Designs macht. Es wird jedoch daran gearbeitet, Halbleiter nach dem gleichen Verfahren herzustellen, so dass es möglich werden könnte, funktionale Schaltkreise aus druckbaren Tinten herzustellen.
CNCs sind eine weitere Produktionsmethode, die zur Realisierung von Mikrofabriken beitragen wird. Obwohl es diese Maschinen schon seit Jahrzehnten gibt, sind sie erst seit Kurzem äußerst erschwinglich. Anstatt Tausende von Dollar für eine einzelne Einheit zu bezahlen, wird es möglich, viele kleinere Maschinen zu haben, die alle gleichzeitig an einzelnen Projekten arbeiten können.
Sogar Lasergravuren werden immer günstiger, die selbst für die Herstellung äußerst nützlich sind. Im Gegensatz zu CNC-Maschinen mit mechanischen Fräsern lassen sich Laserschneider jedoch viel einfacher automatisieren, können Teile viel schneller herstellen und eignen sich perfekt für kleine bis mittlere Produktionsläufe.
Auch wenn dies nicht alle Technologien sind, die zur Entwicklung von Mikrofabriken beitragen werden, zeigen sie doch, dass eine Fertigung in kleinem Maßstab durchaus möglich ist und sehr wohl zu einer gewünschten Topologie für zukünftige Ingenieure werden könnte.