Ключевые моменты Коу:
- Эволюция массового производства: Переход от сквозного монтажа к поверхностному монтажу technology значительно уменьшила размер и стоимость электроники, что позволило обеспечить массовое производство и глобальное распространение.
- Экологические и этические проблемы: Электронная промышленность сталкивается с проблемами, связанными с электронными отходами, экологическим ущербом от добычи сырья и этическими проблемами на производственных площадках.
- Локализованный производственный потенциал: Новые технологии, такие как 3D-печать, могут децентрализовать производство, снизить воздействие на окружающую среду и способствовать развитию местной экономики.
- Технологические возможности: Достижения в области 3D-печати, печатной электроники, обработки с ЧПУ и лазерной гравировки являются ключом к реализации видения микрофабрик и устойчивых производственных практик.
Стандартная модель массового производства и масштабов операций позволили электронике стать невероятно дешевой и широко доступной, но по мере того, как новые производственные технологии, такие как 3D, приобретают популярность, станет ли производство более децентрализованным? С какими проблемами сталкивается электронная промышленность в отношении производства и распространения? Может ли локализованное производство стать популярным, и какие технологии обеспечат такое будущее?
Современные вызовы, с которыми сталкивается электроника
С момента появления электронной промышленности было четко установлено, что для того, чтобы электроника была недорогой и доступной, необходимо это должно стать как можно меньше и производиться в больших масштабах. Первые компоненты, которые были сквозными, требовали, чтобы тысячи опытных рабочих на производственных линиях пропускали компоненты через печатные платы, паяли ножки и удаляли лишние выводы компонентов, и этот метод производства затруднял массовое производство.
С появлением технологии поверхностного монтажа размеры печатных плат быстро сократились, что не только удешевило их производство, но и позволило создавать более сложные конструкции. Но именно появление системы выбора и размещения действительно позволило электронике стать гораздо более доступной.
Наконец, крупномасштабный характер сборки и размещения деталей, а также деталей для поверхностного монтажа в сочетании с промышленной стандартизацией и использованием общих компонентов привел к созданию отрасли, которая может быстро расширяться, быстро масштабироваться и выходить на рынки по всей планете. Для сравнения: целые катушки конденсаторов и резисторов, содержащие тысячи компонентов, можно купить за доллары, многие микроконтроллеры сейчас стоят центов, а широкое использование SoC позволяет создавать чрезвычайно сложные конструкции, оставаясь при этом чрезвычайно маленькими по размеру.
Обоюдоострый меч массового производства в электронике
Но несмотря на все преимущества массового производства электроники, существует ряд проблем, которые продолжают беспокоить отрасль. Крупномасштабное производство электроники и непристойно низкая стоимость компонентов способствовали развитию общества одноразовых устройств, в результате чего вполне пригодные для использования устройства попадают на свалки.
Это глобальное производство электронных отходов не только экономически расточительно но также наносит серьезный ущерб окружающей среде. Несмотря на то, что современные компоненты редко содержат вредные соединения (такие как свинец и кадмий), существует огромное количество электронных отходов из прошлого и настоящего, которые содержат их, и когда эти отходы неправильно утилизируются (путем захоронения на свалке или сжигания), эти отходы соединения выбрасываются в окружающую среду, что может загрязнять воздух и источники подземных вод.
Крупномасштабное потребление электроники также создает проблемы, связанные с производством CO2 и ущербом окружающей среде в результате добычи сырья. Проще говоря, чтобы электроника оставалась дешевой, ее необходимо производить миллионами, а это требует добычи, добычи и обработки большого количества материалов.
Учитывая, что многие из этих мин находятся в развивающихся странах, окружающая среда часто не заботится о них, что часто приводит к долговременному ущербу на местных территориях. Поскольку эти минералы часто перерабатываются там, где они добываются, использование экологически вредных процессов еще больше наносит ущерб как местной окружающей среде, так и климату в целом.
Преодоление разрыва: от воздействия на окружающую среду к проблемам переработки
один потенциальное решение — переработка электроники, но это гораздо легче сказать, чем сделать. Начнем с того, что попытка разобрать схемы на детали может оказаться затруднительной, если они построены из деталей SMD из-за их чрезвычайно малого размера и того факта, что новые детали SMD чрезвычайно дешевы (что делает утилизацию компонентов неэкономичной). Во-вторых, поскольку схемы часто требуют определенной степени надежности, тот факт, что бывшие в употреблении компоненты не могут обеспечить те же гарантии, что и новые детали, означает, что они просто не подходят для новых конструкций.
Извлечение драгоценных металлов из печатных плат возможно, но, поскольку оно предполагает использование чрезвычайно агрессивных соединений, их переработка Печатные платы должны проявлять максимальную осторожность. Такие процессы также требуют большого количества ручного труда, отделения компонентов от платы, изоляции деталей драгоценными металлами, а также многочисленных химических операций. Таким образом, добыча драгоценных металлов экономически выгодна только в больших масштабах.
От препятствий, связанных с переработкой отходов, к проблемам безопасности: путешествие по сложному ландшафту
Еще одна проблема, с которой сталкивается современная электроника, заключается в том, что, поскольку многие устройства часто производятся на Дальнем Востоке, безопасность и конфиденциальность в таких устройствах сложно гарантировать. Например, миллионы устройств IoT для умного дома производятся китайскими производителями в год, и низкая стоимость этих устройств делает их весьма желанными, особенно в условиях нынешнего кризиса стоимости жизни.
Однако похоже, что эти устройства либо имеют бэкдор-доступили иметь скрытое оборудование/программное обеспечение для проведения удаленных атак (чем, как известно, занимается Коммунистическая партия Китая). Более того, данные, собранные этими устройствами, вероятно, хранятся на китайских серверах, к которым китайское правительство, несомненно, имеет доступ (что китайское правительство ввело законом).
Подводя итог всему этому, можно сказать, что электронная промышленность получила огромную выгоду от крупномасштабных производственных технологий, но при этом окружающая среда продолжает бороться, электронные устройства нелегко перерабатывать, а большие объемы производства осуществляются в отдаленных местах, которые могут не имеют лучших прав на труд, плохую производственную практику и нарушают права потребителей.
Может ли локализованное производство стать решением?
Глядя на то, как работают рыночные силы и промышленные процессы, трудно представить себе какую-либо другую топологию производства, кроме той, которая сейчас доминирует в мире; массовое производство на крупных предприятиях. Однако появление новых технологий, таких как 3D-печать, может вскоре изменить все это. по существу сделать производство децентрализованным процессом.
Идея местного миниатюрного производства заключается в том, что вместо того, чтобы вся продукция производилась на заводе и затем отправлялась по всему миру, устройства производятся там, где это необходимо, с использованием технологий, которые позволяют легко производить детали в индивидуальном масштабе (в отличие от крупномасштабного). . Такой сайт также был бы идеален для переработки электронных отходов, где устройства можно было бы продавать, утилизировать и экологически устойчиво превращать в сырье, которое затем можно будет использовать в других продуктах.
Представление об устойчивом будущем: роль локализованного производства и переработки
Например, старые чехлы для телефонов, изготовленные из переработанного пластика, можно измельчить и превратить в нить, которую затем можно использовать для изготовления новых чехлов. То же самое можно сделать и со смартфонами: можно извлечь ключевые компоненты (процессор, память и экран), а остальную часть устройства должным образом утилизировать.
Конечно, такая микрофабрика потребует фундаментальных изменений в том, как инженеры разрабатывают продукцию. Вместо того, чтобы полагаться на сложные, уникальные конструкции, устройства должны быть построены из часто используемых частей, которые можно легко соединить вместе. В случае со смартфонами будущие устройства должны будут использовать единый разъем, который будет работать для всех размеров экрана (аналогично микро-HDMI) и общую архитектуру материнской платы.
Такие микрофабрики также помогут расширить возможности местных районов, особенно отдаленных. Вместо того, чтобы доставлять устройства за тысячи миль, можно было бы создать продукт с нуля. Поскольку переработанные материалы будут храниться на микрофабрике, воздействие на окружающую среду от потребления будет минимальным, при этом местные жители будут получать именно те услуги, которые необходимы.
Какие технологии могут обеспечить такое будущее?
При нынешнем состоянии технологий идея микрофабрики является скорее мечтой, чем реальностью, но это не значит, что эта концепция далека от реализации.
Наиболее известной технологией, обеспечивающей такое будущее, является 3D-печать, и это связано с ее способностью создавать любую форму без необходимости использования форм или сложной тяжелой техники. Поскольку 3D-печать можно использовать с широким спектром переработанных материалов, она идеально подходит для использования в местных центрах по переработке старых материалов и превращения их в гранулы и/или нити.
Кроме того, , так как: 3D-принтеры могут печатать несколько материалов одновременно, их можно использовать для создания сложных конструкций с компонентами, напечатанными непосредственно на внутренних частях корпуса (например, антенна).
Достижения в области 3D-печати и печатной электроники: новаторское будущее микрофабрик
Еще одна важная технология, которая принесет пользу микрофабрикам, — это печатная электроника. Подобно 3D-принтерам, Печатная электроника — это схемы, которые можно изготовить полностью из традиционных технологий печати (например, струйные принтеры). В отличие от 3D-принтеров, печатная электроника может иметь очень мелкие детали, что делает ее идеальной для печати пассивных компонентов в сложных конструкциях. Тем не менее, ведутся работы по производству полупроводников с использованием того же процесса, а это означает, что станет возможным создавать функциональные схемы, причем все из чернил, пригодных для печати.
ЧПУ — еще один метод производства, который поможет реализовать микрофабрики, и хотя эти машины существуют уже десятилетия, только недавно они стали чрезвычайно доступными. Вместо того, чтобы платить тысячи долларов за одну единицу, станет возможным иметь множество машин меньшего размера, которые смогут одновременно работать над отдельными проектами.
Даже лазерная гравировка становится дешевле, которые сами по себе чрезвычайно полезны для производства. Однако, в отличие от станков с ЧПУ, использующих механические фрезы, станки для лазерной резки гораздо проще автоматизировать, они позволяют производить детали гораздо быстрее и идеально подходят для небольших и средних производственных циклов.
Хотя это не все технологии, которые помогут расширить возможности микрофабрик, они демонстрируют, что мелкомасштабное производство вполне возможно и вполне может стать желаемой топологией для будущих инженеров.