Belangrijkste dingen voor Kow:
- Evolutie van de massaproductie: De overgang van doorgaand gat naar opbouwmontage technologie heeft de omvang en de kosten van elektronica aanzienlijk verminderd, waardoor massaproductie en wereldwijde distributie mogelijk zijn.
- Milieu- en ethische kwesties: De elektronica-industrie wordt geconfronteerd met uitdagingen die verband houden met elektronisch afval, milieuschade door de winning van grondstoffen en ethische kwesties op productielocaties.
- Gelokaliseerd productiepotentieel: Opkomende technologieën zoals 3D-printen kunnen de productie decentraliseren, de impact op het milieu verminderen en lokale economieën bevorderen.
- Technologische mogelijkheden: Vooruitgang op het gebied van 3D-printen, geprinte elektronica, CNC-bewerkingen en lasergraveren zijn van cruciaal belang voor het verwezenlijken van de visie van microfabrieken en duurzame productiepraktijken.
Het standaardmodel van massaproductie en de omvang van de werking hebben ervoor gezorgd dat elektronica ongelooflijk goedkoop en overal verkrijgbaar is geworden, maar zal de productie meer gedecentraliseerd worden naarmate nieuwe productietechnologieën zoals 3D aan populariteit winnen? Met welke uitdagingen wordt de elektronica-industrie geconfronteerd op het gebied van productie en distributie? Zou gelokaliseerde productie populair kunnen worden, en welke technologieën zouden een dergelijke toekomst mogelijk maken?
De moderne uitdagingen waarmee elektronica wordt geconfronteerd
Sinds de introductie van de elektronica-industrie is het algemeen bekend dat als elektronica betaalbaar en toegankelijk moet zijn, het moet worden zo klein mogelijk en op schaal vervaardigd. Voor de eerste componenten, die doorlopende gaten hadden, waren duizenden deskundige productielijnarbeiders nodig om componenten door PCB's te voeren, de poten te solderen en overtollige componentleidingen te verwijderen, en deze productiemethode maakte productie op grote schaal moeilijk.
Toen de technologie voor oppervlaktemontage opkwam, kromp de omvang van PCB's snel, waardoor ze niet alleen goedkoper te produceren waren, maar ook complexere ontwerpen mogelijk maakten. Maar het was de introductie van ‘pick and place’ die ervoor zorgde dat elektronica veel toegankelijker werd.
Ten slotte heeft het grootschalige karakter van pick-and-place- en opbouwmontageonderdelen, gecombineerd met industriële standaardisatie en het gebruik van gemeenschappelijke componenten, geresulteerd in een industrie die zich snel kan uitbreiden, snel kan opschalen en markten over de hele planeet kan bereiken. Ter perspectief: hele rollen condensatoren en weerstanden die duizenden componenten bevatten, kunnen voor dollars worden gekocht, veel microcontrollers bevinden zich nu in het cent-bereik, en het wijdverbreide gebruik van SoC's zorgt ervoor dat ontwerpen enorm complex kunnen zijn terwijl ze extreem klein van formaat blijven.
Het tweesnijdende zwaard van massaproductie in de elektronica
Maar ondanks alle voordelen die massaproductie in de elektronica heeft opgeleverd, zijn er een aantal problemen die de industrie blijven teisteren. De grootschalige aard van de elektronicaproductie en de obsceen lage kosten van componenten hebben een wegwerpmaatschappij in de hand gewerkt, met als gevolg dat perfect bruikbare apparaten op stortplaatsen belanden.
Deze wereldwijde productie van e-waste is niet alleen economisch verspillend maar draagt ook bij aan ernstige milieuschade. Ondanks dat moderne componenten zelden schadelijke verbindingen bevatten (zoals lood en cadmium), is er een enorme hoeveelheid e-waste uit het verleden en het heden die dat wel doet, en wanneer dit afval op de verkeerde manier wordt verwijderd (hetzij door het begraven op een stortplaats of door verbranding), kunnen deze Er komen verbindingen vrij in het milieu, die de lucht- en grondwaterbronnen kunnen vervuilen.
De grootschalige consumptie van elektronica brengt ook uitdagingen met zich mee op het gebied van CO2-productie en milieuschade door grondstoffenwinning. Simpel gezegd: om ervoor te zorgen dat elektronica goedkoop blijft, moeten er miljoenen worden geproduceerd, en dit vereist dat grote hoeveelheden materialen worden gewonnen, gewonnen en verwerkt.
Gezien het feit dat veel van deze mijnen zich in ontwikkelingslanden bevinden, is er vaak weinig zorg voor het milieu, wat vaak leidt tot langdurige schade aan lokale gebieden. Omdat deze mineralen vaak worden verwerkt daar waar ze worden gedolven, veroorzaakt het gebruik van milieuschadelijke processen verdere schade aan zowel het lokale milieu als het klimaat in het algemeen.
De kloof overbruggen: van milieu-impact tot recyclinguitdagingen
One mogelijke oplossing is het recyclen van elektronica, maar dit is veel gemakkelijker gezegd dan gedaan. Om te beginnen kan het moeilijk zijn om circuits te schrappen voor onderdelen als ze zijn opgebouwd uit SMD-onderdelen vanwege hun extreem kleine formaat en het feit dat nieuwe SMD-onderdelen extreem goedkoop zijn (waardoor het redden van componenten oneconomisch wordt). Ten tweede, omdat circuits vaak een zekere mate van betrouwbaarheid vereisen, betekent het feit dat gebruikte componenten niet dezelfde garanties kunnen bieden als nieuwe onderdelen, dat ze eenvoudigweg niet geschikt zijn voor nieuwe ontwerpen.
Het winnen van edelmetalen uit PCB's is mogelijk, maar omdat daarbij uiterst corrosieve verbindingen worden gebruikt, wordt recycling toegepast PCB's moeten de grootste voorzichtigheid betrachten. Dergelijke processen vereisen ook een grote hoeveelheid handarbeid, waarbij componenten van de plaat worden gescheiden, onderdelen worden geïsoleerd met edele metalen en de talrijke chemische stappen die daarbij komen kijken. Het winnen van edelmetalen is dus alleen economisch als het op grote schaal gebeurt.
Van hindernissen op het gebied van recycling tot veiligheidsproblemen: navigeren door het complexe landschap
Een andere uitdaging waarmee moderne elektronica wordt geconfronteerd, is dat, aangezien veel apparaten vaak in het Verre Oosten worden gemaakt, de veiligheid en privacy van dergelijke apparaten moeilijk te garanderen kunnen zijn. Er worden bijvoorbeeld jaarlijks miljoenen slimme IoT-apparaten voor thuisgebruik geproduceerd door Chinese fabrikanten, en het lage kostenkarakter van deze apparaten maakt ze zeer wenselijk, vooral in de huidige crises op het gebied van de kosten van levensonderhoud.
Echter, het is goed mogelijk dat deze apparaten hebben ofwel achterdeurtoegang, of over verborgen hardware/software beschikken om aanvallen op afstand uit te voeren (iets waarvan bekend is dat de Chinese Communistische Partij erbij betrokken is). Bovendien worden de gegevens die door deze apparaten worden verzameld waarschijnlijk opgeslagen op Chinese servers, waartoe de Chinese overheid ongetwijfeld toegang heeft (iets dat de Chinese overheid bij wet heeft ingevoerd).
Om dit allemaal samen te vatten: de elektronica-industrie heeft enorm geprofiteerd van grootschalige productietechnieken, maar daarbij blijft het milieu het moeilijk hebben, zijn elektronische apparaten niet gemakkelijk te recyclen en worden grote hoeveelheden productie op afgelegen plaatsen uitgevoerd die mogelijk niet over de beste arbeidsrechten, slechte productiepraktijken en schending van consumentenrechten.
Zou lokale productie de oplossing kunnen zijn?
Als we kijken naar hoe marktkrachten en industriële processen werken, kan het moeilijk zijn om een andere productietopologie voor te stellen dan degene die momenteel de wereld domineert; massaproductie in grote fabrieken. De opkomst van nieuwe technologieën zoals 3D-printen kan dit alles echter binnenkort veranderen. in wezen waardoor productie een gedecentraliseerd proces wordt.
Het idee achter lokale geminiaturiseerde productie is dat in plaats van dat alle producten in een fabriek worden geproduceerd en vervolgens over de hele wereld worden verzonden, er apparaten worden gemaakt waar dat nodig is, waarbij gebruik wordt gemaakt van technologieën die gemakkelijk onderdelen op individuele schaal (in tegenstelling tot op grote schaal) kunnen produceren. . Een dergelijke locatie zou ook ideaal zijn voor recycling van elektronisch afval, waar apparaten kunnen worden ingeruild, geborgen en op duurzame wijze kunnen worden omgezet in grondstoffen die vervolgens in andere producten kunnen worden gebruikt.
Een duurzame toekomst voorstellen: de rol van gelokaliseerde productie en recycling
Oude telefoonhoesjes gemaakt van gerecycled plastic kunnen bijvoorbeeld worden vermalen en omgezet in filament dat vervolgens kan worden gebruikt om nieuwe hoesjes te maken. Hetzelfde kan worden gedaan voor smartphones, waarbij de belangrijkste componenten eruit kunnen worden gehaald (processor, geheugen en scherm) en de rest van het apparaat op de juiste manier kan worden gerecycled.
Natuurlijk zou zo’n microfabriek een fundamentele verandering vereisen in de manier waarop ingenieurs producten ontwikkelen. In plaats van te vertrouwen op complexe, unieke ontwerpen, zouden apparaten moeten worden opgebouwd uit veelgebruikte onderdelen die gemakkelijk in elkaar kunnen worden gezet. In het geval van smartphones zouden toekomstige apparaten een enkele connector moeten gebruiken die voor alle schermformaten zou werken (vergelijkbaar met een micro-HDMI) en een gemeenschappelijke architectuur in het moederbord.
Dergelijke microfabrieken zouden ook lokale gebieden helpen versterken, vooral de afgelegen gebieden. In plaats van apparaten van duizenden kilometers afstand te moeten verzenden, zou het mogelijk kunnen zijn om een product helemaal opnieuw te laten bouwen. Omdat gerecycleerde materialen lokaal voor de microfabriek zouden worden bewaard, zou de impact op het milieu door consumptie minimaal zijn, terwijl de exacte diensten zouden worden geleverd die de lokale bevolking nodig heeft.
Welke technologieën kunnen een dergelijke toekomst mogelijk maken?
Met de huidige stand van de technologie is het idee van een microfabriek meer een droom dan een realiteit, maar dat wil niet zeggen dat het concept nog lang niet gerealiseerd is.
De meest prominente technologie om een dergelijke toekomst mogelijk te maken is 3D-printen, en dit komt door het vermogen om elke vorm te produceren zonder de noodzaak van mallen of complexe zware machines. Omdat 3D-printen kan worden gebruikt met een breed scala aan gerecyclede materialen, is het ideaal voor gebruik in een lokaal recyclingcentrum, waarbij oude materialen worden vermalen en omgezet in pellets en/of filamenten.
Voorts omdat 3D-printers kunnen meerdere materialen tegelijk printenkunnen ze worden gebruikt om complexe ontwerpen te maken, waarbij componenten rechtstreeks in de binnenste delen van een behuizing worden afgedrukt (zoals een antenne).
Vooruitgang in 3D-printen en gedrukte elektronica: pionieren in de toekomst van microfabrieken
Een andere belangrijke technologie waar microfabrieken profijt van zullen hebben, is gedrukte elektronica. Net als bij 3D-printers, gedrukte elektronica zijn schakelingen die gemaakt kunnen worden volledig uit traditionele printtechnologieën (zoals inkjetprinters). In tegenstelling tot 3D-printers kan geprinte elektronica extreem kleine details hebben, waardoor het ideaal is voor het printen van passieve componenten op complexe ontwerpen. Er wordt echter gewerkt aan de productie van halfgeleiders met behulp van hetzelfde proces, wat betekent dat het mogelijk zou kunnen worden om functionele circuits te maken, allemaal met printbare inkten.
CNC's zijn een andere productiemethode die zal helpen microfabrieken te realiseren, en hoewel deze machines al tientallen jaren bestaan, zijn ze pas onlangs uiterst betaalbaar geworden. In plaats van duizenden dollars te betalen voor een enkele eenheid, zal het mogelijk worden om veel kleinere machines te hebben die allemaal tegelijkertijd aan individuele projecten kunnen werken.
Zelfs lasergraveren wordt steeds goedkoper, die op zichzelf uiterst nuttig zijn voor de productie. In tegenstelling tot CNC's die mechanische freesbits gebruiken, zijn lasersnijders echter veel gemakkelijker te automatiseren, kunnen ze veel sneller onderdelen produceren en zijn ze perfect voor kleine tot middelgrote productieruns.
Hoewel dit niet alle technologieën zijn die microfabrieken zullen helpen versterken, tonen ze aan dat kleinschalige productie perfect mogelijk is en heel goed een gewenste topologie voor toekomstige ingenieurs zou kunnen worden.