Cose chiave da osservare:
- Evoluzione della produzione di massa: La transizione dal foro passante al montaggio superficiale la tecnologia ha ridotto significativamente le dimensioni e i costi dell’elettronica, consentendo la produzione di massa e la distribuzione globale.
- Preoccupazioni ambientali ed etiche: L’industria elettronica deve affrontare sfide legate ai rifiuti elettronici, ai danni ambientali derivanti dall’estrazione delle materie prime e alle questioni etiche nei luoghi di produzione.
- Potenziale di produzione localizzata: Le tecnologie emergenti come la stampa 3D potrebbero decentralizzare la produzione, riducendo l’impatto ambientale e promuovendo le economie locali.
- Abilitatori tecnologici: I progressi nella stampa 3D, nell’elettronica stampata, nella lavorazione CNC e nell’incisione laser sono fondamentali per realizzare la visione delle microfabbriche e delle pratiche di produzione sostenibili.
Il modello standard di produzione di massa e di scala operativa ha consentito all’elettronica di diventare incredibilmente economica e ampiamente disponibile, ma man mano che le nuove tecnologie di produzione come il 3D guadagnano popolarità, la produzione diventerà più decentralizzata? Quali sfide si trova ad affrontare l’industria elettronica in termini di produzione e distribuzione? La produzione localizzata potrebbe diventare popolare e quali tecnologie potrebbero potenziare un simile futuro?
Le sfide moderne affrontate dall'elettronica
Fin dall’introduzione dell’industria elettronica, è stato ampiamente stabilito che, affinché l’elettronica sia conveniente e accessibile, deve diventare il più piccolo possibile e prodotto su larga scala. I primi componenti, essendo a foro passante, richiedevano migliaia di esperti addetti alla linea di produzione per alimentare i componenti attraverso i PCB, saldare le gambe e rimuovere i cavi dei componenti in eccesso, e questo metodo di produzione rendeva difficile la produzione su larga scala.
Quando è arrivata la tecnologia a montaggio superficiale, le dimensioni dei PCB si sono rapidamente ridotte, il che non solo li ha resi più economici da produrre, ma ha consentito progetti più complessi. Ma è stata l’introduzione del pick and place che ha davvero permesso all’elettronica di diventare molto più accessibile.
Infine, la natura su larga scala delle parti pick and place e a montaggio superficiale, combinata con la standardizzazione industriale e l’uso di componenti comuni, ha dato vita a un settore in grado di espandersi rapidamente, scalarsi rapidamente e raggiungere mercati in tutto il pianeta. In prospettiva, intere bobine di condensatori e resistori contenenti migliaia di componenti possono essere acquistate per dollari, molti microcontrollori sono ora nella gamma dei centesimi e l'uso diffuso dei SoC sta consentendo progetti immensamente complessi pur rimanendo di dimensioni estremamente ridotte.
L’arma a doppio taglio della produzione di massa nell’elettronica
Ma nonostante tutti i vantaggi offerti dalla produzione di massa nel settore elettronico, ci sono una serie di problemi che continuano ad affliggere il settore. La natura su larga scala della produzione elettronica e il costo oscenamente basso dei componenti hanno incoraggiato una società dell’usa e getta, con il risultato che dispositivi perfettamente utilizzabili finiscono nelle discariche.
Questa produzione globale di rifiuti elettronici non è solo economicamente dispendioso ma sta anche contribuendo a gravi danni ambientali. Nonostante i componenti moderni raramente contengano composti nocivi (come piombo e cadmio), c'è un'enorme quantità di rifiuti elettronici del passato e del presente che li contengono, e quando questi rifiuti vengono smaltiti in modo improprio (attraverso l'interramento in discarica o l'incenerimento), questi vengono rilasciati nell'ambiente composti che possono inquinare l'aria e le falde acquifere.
Il consumo massiccio di elettronica pone sfide anche per quanto riguarda la produzione di CO2 e i danni ambientali derivanti dall’estrazione di materie prime. In poche parole, affinché l’elettronica rimanga economica, deve essere prodotta a milioni, e ciò richiede l’estrazione, l’estrazione e la lavorazione di grandi quantità di materiali.
Considerando che molte di queste miniere si trovano nei paesi in via di sviluppo, spesso c’è poca attenzione per l’ambiente, il che spesso porta a danni a lungo termine alle aree locali. Poiché questi minerali verranno spesso lavorati nel luogo in cui vengono estratti, l’uso di processi dannosi per l’ambiente danneggia ulteriormente sia l’ambiente locale che il clima in generale.
Colmare il divario: dall’impatto ambientale alle sfide del riciclaggio
Uno La potenziale soluzione è riciclare i componenti elettronici, ma questo è molto più facile a dirsi che a farsi. Per cominciare, tentare di rottamare i circuiti per ricavarne delle parti può essere difficile se questi sono costruiti con parti SMD a causa delle loro dimensioni estremamente ridotte e del fatto che le nuove parti SMD sono estremamente economiche (rendendo quindi antieconomico il recupero dei componenti). In secondo luogo, poiché i circuiti spesso richiedono un certo grado di affidabilità, il fatto che i componenti usati non possano fornire le stesse garanzie delle parti nuove significa che semplicemente non sono adatti per nuovi progetti.
Estrarre metalli preziosi dai PCB è possibile, ma poiché comporta l'uso di composti estremamente corrosivi, quelli riciclabili I PCB devono prestare la massima cautela. Tali processi richiedono anche una grande quantità di lavoro manuale, separando i componenti dalla scheda, isolando le parti con metalli preziosi e i numerosi passaggi chimici coinvolti. Pertanto, l’estrazione di metalli preziosi è economica solo se eseguita su larga scala.
Dagli ostacoli del riciclaggio alle preoccupazioni per la sicurezza: navigare in un panorama complesso
Un’altra sfida affrontata dall’elettronica moderna è che, poiché molti dispositivi sono spesso realizzati in Estremo Oriente, la sicurezza e la privacy di tali dispositivi può essere difficile da garantire. Ad esempio, milioni di dispositivi IoT per la casa intelligente vengono prodotti ogni anno dai produttori cinesi e la natura a basso costo di questi dispositivi li rende altamente desiderabili, soprattutto nell’attuale crisi del costo della vita.
Però, i e 'probabile che questi dispositivi effettuano l'accesso backdoor, o disporre di hardware/software nascosti per eseguire attacchi remoti (qualcosa in cui è noto il coinvolgimento del Partito comunista cinese). Inoltre, i dati raccolti da questi dispositivi sono probabilmente archiviati su server cinesi, ai quali il governo cinese ha senza dubbio accesso (qualcosa che il governo cinese ha introdotto per legge).
Per riassumere tutto ciò, l’industria elettronica ha tratto enormi benefici dalle tecniche di produzione su larga scala, ma così facendo l’ambiente continua a lottare, i dispositivi elettronici non sono facili da riciclare e grandi quantità di produzione vengono effettuate in luoghi lontani che potrebbero non hanno i migliori diritti di lavoro, pratiche di produzione inadeguate e violazione dei diritti dei consumatori.
La produzione localizzata potrebbe essere la soluzione?
Quando si osserva come funzionano le forze di mercato e i processi industriali, può essere difficile immaginare una topologia produttiva diversa da quella che attualmente domina il mondo; produzione su larga scala in grandi impianti. Tuttavia, l’emergere di nuove tecnologie come la stampa 3D potrebbe presto cambiare tutto questo. essenzialmente rendere la produzione un processo decentralizzato.
L’idea alla base della produzione miniaturizzata locale è che invece di avere tutti i prodotti fabbricati in una fabbrica e poi spediti in tutto il mondo, i dispositivi vengono realizzati dove necessario, utilizzando tecnologie che possono facilmente produrre parti su scala individuale (invece che su larga scala). . Un sito del genere sarebbe ideale anche per il riciclaggio dei rifiuti elettronici, dove i dispositivi possono essere scambiati, recuperati e trasformati in modo sostenibile in materie prime che possono essere utilizzate in altri prodotti.
Immaginare un futuro sostenibile: il ruolo della produzione localizzata e del riciclaggio
Ad esempio, le vecchie custodie dei telefoni realizzate con plastica riciclata potrebbero essere macinate e trasformate in filamenti che possono poi essere utilizzati per realizzare nuove custodie. Lo stesso può essere fatto per gli smartphone, da cui è possibile estrarre i componenti chiave (processore, memoria e schermo) e riciclare adeguatamente il resto del dispositivo.
Naturalmente, una microfabbrica di questo tipo richiederebbe un cambiamento fondamentale nel modo in cui gli ingegneri sviluppano i prodotti. Invece di fare affidamento su progetti complessi e unici, i dispositivi dovrebbero essere costruiti con parti di uso comune che possano essere facilmente assemblate insieme. Nel caso degli smartphone, i futuri dispositivi dovrebbero utilizzare un unico connettore che funzioni per tutte le dimensioni dello schermo (simile a un micro HDMI) e un'architettura comune nella scheda madre.
Tali microfabbriche aiuterebbero anche a responsabilizzare le aree locali, soprattutto quelle remote. Invece di dover spedire dispositivi a migliaia di chilometri di distanza, potrebbe essere possibile realizzare un prodotto da zero. Poiché i materiali riciclati verrebbero mantenuti nella microfabbrica, l’impatto ambientale derivante dal consumo sarebbe minimo, il tutto fornendo esattamente i servizi necessari alla gente del posto.
Quali tecnologie potrebbero potenziare un simile futuro?
Allo stato attuale della tecnologia, l'idea di una microfabbrica è più un sogno che una realtà, ma ciò non vuol dire che il concetto sia lungi dall'essere realizzato.
La tecnologia più importante per realizzare questo futuro è la stampa 3D, e ciò è dovuto alla sua capacità di produrre qualsiasi forma senza la necessità di stampi o macchinari pesanti complessi. Poiché la stampa 3D può essere utilizzata con un’ampia gamma di materiali riciclati, è ideale per l’uso in un centro di riciclaggio locale, macinando vecchi materiali e trasformandoli in pellet e/o filamenti.
Per di più, perché Le stampanti 3D possono stampare più materiali contemporaneamente, possono essere utilizzati per creare progetti complessi, con componenti stampati direttamente nelle parti interne di una custodia (come un'antenna).
Progressi nella stampa 3D e nell’elettronica stampata: pionieri nel futuro delle microfabbriche
Un’altra importante tecnologia che andrà a vantaggio delle microfabbriche è l’elettronica stampata. Simile alle stampanti 3D, l'elettronica stampata è un circuito che può essere realizzato interamente dalle tecnologie di stampa tradizionali (come le stampanti a getto d'inchiostro). A differenza delle stampanti 3D, i componenti elettronici stampati possono avere dettagli estremamente piccoli, il che li rende ideali per la stampa di componenti passivi su progetti complessi. Tuttavia, si sta lavorando per produrre semiconduttori utilizzando lo stesso processo, il che significa che potrebbe diventare possibile creare circuiti funzionali, tutti con inchiostri stampabili.
I CNC sono un altro metodo di produzione che aiuterà a realizzare microfabbriche e, sebbene queste macchine esistano da decenni, solo di recente sono diventate estremamente convenienti. Invece di pagare migliaia di dollari per una singola unità, diventerà possibile avere molte macchine più piccole che potranno lavorare tutte su progetti individuali contemporaneamente.
Anche le incisioni laser stanno diventando più economiche, che a loro volta sono estremamente utili per la produzione. Tuttavia, a differenza dei CNC che utilizzano punte di fresatura meccaniche, i laser cutter sono molto più facili da automatizzare, possono produrre parti molto più rapidamente e sono perfetti per cicli di produzione su piccola e media scala.
Sebbene queste non siano tutte le tecnologie che contribuiranno a potenziare le microfabbriche, dimostrano che la produzione su piccola scala è perfettamente possibile e potrebbe benissimo diventare una topologia desiderata per i futuri ingegneri.