Những điều quan trọng cần biết:
- Tiến hóa sản xuất hàng loạt: Sự chuyển đổi từ xuyên lỗ sang gắn trên bề mặt công nghệ đã giảm đáng kể kích thước và chi phí của thiết bị điện tử, cho phép sản xuất hàng loạt và phân phối toàn cầu.
- Mối quan tâm về môi trường và đạo đức: Ngành công nghiệp điện tử phải đối mặt với những thách thức liên quan đến rác thải điện tử, thiệt hại về môi trường do khai thác nguyên liệu thô và các vấn đề đạo đức tại các địa điểm sản xuất.
- Tiềm năng sản xuất nội địa hóa: Các công nghệ mới nổi như in 3D có thể phân cấp sản xuất, giảm tác động đến môi trường và thúc đẩy nền kinh tế địa phương.
- Người hỗ trợ công nghệ: Những tiến bộ trong in 3D, in điện tử, gia công CNC và khắc laser là chìa khóa để hiện thực hóa tầm nhìn về các nhà máy vi mô và thực hành sản xuất bền vững.
Mô hình tiêu chuẩn về sản xuất hàng loạt và quy mô hoạt động đã cho phép các thiết bị điện tử trở nên cực kỳ rẻ và phổ biến rộng rãi, nhưng khi các công nghệ sản xuất mới như 3D trở nên phổ biến, liệu hoạt động sản xuất có trở nên phi tập trung hơn không? Ngành điện tử đang phải đối mặt với những thách thức gì trong sản xuất và phân phối? Liệu sản xuất nội địa hóa có thể trở nên phổ biến hay không và công nghệ nào sẽ mang lại sức mạnh cho một tương lai như vậy?
Những thách thức hiện đại mà điện tử phải đối mặt
Kể từ khi ngành công nghiệp điện tử ra đời, người ta đã xác định rõ ràng rằng để đồ điện tử có giá cả phải chăng và dễ tiếp cận, nó cần phải trở thành càng nhỏ càng tốt và được sản xuất ở quy mô. Các bộ phận đầu tiên, xuyên lỗ, yêu cầu hàng nghìn công nhân dây chuyền sản xuất có chuyên môn để nạp các bộ phận thông qua PCB, hàn các chân và loại bỏ các dây dẫn thành phần dư thừa, và phương pháp sản xuất này đã gây khó khăn cho việc sản xuất quy mô lớn.
Khi công nghệ gắn trên bề mặt xuất hiện, kích thước của PCB nhanh chóng giảm xuống, điều này không chỉ khiến chúng được sản xuất rẻ hơn mà còn cho phép tạo ra các thiết kế phức tạp hơn. Nhưng chính sự ra đời của lựa chọn và địa điểm đã thực sự cho phép các thiết bị điện tử trở nên dễ tiếp cận hơn nhiều.
Cuối cùng, tính chất quy mô lớn của các bộ phận gắp, đặt và gắn trên bề mặt kết hợp với tiêu chuẩn hóa công nghiệp và việc sử dụng các bộ phận thông thường đã tạo nên một ngành có thể mở rộng nhanh chóng, mở rộng quy mô nhanh chóng và tiếp cận các thị trường trên toàn hành tinh. Về mặt phối cảnh, toàn bộ cuộn tụ điện và điện trở chứa hàng nghìn linh kiện có thể được mua bằng đô la, nhiều bộ vi điều khiển hiện có giá khoảng 1 xu và việc sử dụng rộng rãi SoC đang cho phép các thiết kế trở nên vô cùng phức tạp trong khi vẫn có kích thước cực kỳ nhỏ.
Con dao hai lưỡi của sản xuất hàng loạt trong ngành điện tử
Nhưng bên cạnh tất cả những lợi ích mà việc sản xuất hàng loạt thiết bị điện tử mang lại, vẫn có một số vấn đề tiếp tục gây khó khăn cho ngành này. Bản chất quy mô lớn của sản xuất thiết bị điện tử và chi phí linh kiện thấp đến mức không thể tin được đã khuyến khích một xã hội vứt bỏ, dẫn đến việc các thiết bị hoàn toàn có thể sử dụng được sẽ được đưa vào các bãi chôn lấp.
Sản lượng rác thải điện tử toàn cầu này không chỉ lãng phí về mặt kinh tế mà còn góp phần gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về môi trường. Mặc dù các thành phần hiện đại hiếm khi chứa các hợp chất có hại (như chì và cadmium), vẫn có một lượng lớn chất thải điện tử từ quá khứ và hiện tại và khi chất thải này được xử lý không đúng cách (bằng cách chôn lấp hoặc đốt rác), những chất này sẽ các hợp chất này được thải ra môi trường, có thể gây ô nhiễm không khí và nguồn nước ngầm.
Việc tiêu thụ thiết bị điện tử trên quy mô lớn cũng đặt ra những thách thức liên quan đến việc sản xuất CO2 và thiệt hại về môi trường thông qua việc khai thác nguyên liệu thô. Nói một cách đơn giản, để các thiết bị điện tử có giá rẻ, chúng phải được sản xuất với số lượng hàng triệu chiếc và điều này đòi hỏi phải tìm nguồn, khai thác và xử lý một lượng lớn nguyên liệu.
Vì nhiều mỏ trong số này được tìm thấy ở các quốc gia đang phát triển nên thường ít quan tâm đến môi trường, điều này thường dẫn đến thiệt hại lâu dài cho các khu vực địa phương. Vì những khoáng chất này thường sẽ được xử lý tại nơi chúng được khai thác nên việc sử dụng các quy trình gây tổn hại đến môi trường sẽ gây tổn hại thêm cho cả môi trường địa phương và khí hậu nói chung.
Thu hẹp khoảng cách: Từ tác động môi trường đến những thách thức tái chế
Một giải pháp tiềm năng là tái chế đồ điện tử, nhưng điều này nói thì dễ hơn làm. Để bắt đầu, việc cố gắng loại bỏ các mạch điện cho các bộ phận có thể khó khăn nếu chúng được chế tạo từ các bộ phận SMD do kích thước cực nhỏ của chúng và thực tế là các bộ phận SMD mới cực kỳ rẻ (do đó khiến việc tận dụng linh kiện trở nên không kinh tế). Thứ hai, vì các mạch điện thường yêu cầu một mức độ tin cậy nhất định nên thực tế là các bộ phận đã qua sử dụng không thể mang lại sự đảm bảo giống như các bộ phận mới có nghĩa là chúng đơn giản là không phù hợp với các thiết kế mới.
Việc chiết xuất kim loại quý từ PCB là có thể, nhưng vì nó liên quan đến việc sử dụng các hợp chất có tính ăn mòn cực cao nên việc tái chế đó PCB cần hết sức thận trọng. Các quy trình như vậy cũng đòi hỏi lượng lớn lao động thủ công, tách các bộ phận khỏi bảng mạch, cách ly các bộ phận bằng kim loại quý và nhiều bước hóa học liên quan. Như vậy, việc khai thác kim loại quý chỉ mang lại hiệu quả kinh tế khi thực hiện ở quy mô lớn.
Từ những rào cản tái chế đến những lo ngại về an ninh: Điều hướng bối cảnh phức tạp
Một thách thức khác mà các thiết bị điện tử hiện đại phải đối mặt là vì nhiều thiết bị thường được sản xuất ở Viễn Đông nên khó có thể đảm bảo tính bảo mật và quyền riêng tư trong các thiết bị đó. Ví dụ, hàng triệu thiết bị IoT trong nhà thông minh được sản xuất bởi các nhà sản xuất Trung Quốc mỗi năm và tính chất giá rẻ của những thiết bị này khiến chúng trở nên rất được ưa chuộng, đặc biệt là trong cuộc khủng hoảng chi phí sinh hoạt hiện nay.
Tuy vậy, có khả năng là những thiết bị này có thể truy cập cửa sau, hoặc có phần cứng/phần mềm ẩn để thực hiện các cuộc tấn công từ xa (điều mà Đảng Cộng sản Trung Quốc được biết đến là có liên quan). Hơn nữa, dữ liệu được thu thập bởi các thiết bị này có thể được lưu trữ trên các máy chủ của Trung Quốc, mà chính phủ Trung Quốc chắc chắn có quyền truy cập (thứ mà chính phủ Trung Quốc đưa ra theo luật).
Tóm lại tất cả những điều này, ngành công nghiệp điện tử đã được hưởng lợi rất nhiều từ các kỹ thuật sản xuất quy mô lớn, nhưng khi làm như vậy, môi trường vẫn tiếp tục gặp khó khăn, các thiết bị điện tử không dễ tái chế và một lượng lớn hoạt động sản xuất được thực hiện ở những nơi xa xôi có thể không có quyền làm việc tốt nhất, thực hành sản xuất kém và vi phạm quyền lợi người tiêu dùng.
Sản xuất nội địa hóa có thể là giải pháp?
Khi nhìn vào cách thức hoạt động của các lực lượng thị trường và quy trình công nghiệp, thật khó để tưởng tượng ra cấu trúc liên kết sản xuất nào khác ngoài cấu trúc hiện đang thống trị thế giới; sản xuất hàng loạt tại các cơ sở lớn. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các công nghệ mới như in 3D có thể sớm thay đổi tất cả những điều này, chủ yếu làm cho việc sản xuất trở thành một quá trình phi tập trung.
Ý tưởng đằng sau việc sản xuất thu nhỏ tại địa phương là thay vì sản xuất tất cả các sản phẩm tại một nhà máy và sau đó vận chuyển đi khắp thế giới, các thiết bị được sản xuất ở nơi cần thiết, sử dụng các công nghệ có thể dễ dàng sản xuất các bộ phận ở quy mô riêng lẻ (trái ngược với quy mô lớn) . Một địa điểm như vậy cũng sẽ là nơi lý tưởng để tái chế rác thải điện tử, nơi các thiết bị có thể được trao đổi, tận dụng và biến thành nguyên liệu thô một cách bền vững để có thể tiếp tục sử dụng trong các sản phẩm khác.
Hình dung về một tương lai bền vững: Vai trò của sản xuất và tái chế nội địa hóa
Ví dụ, vỏ điện thoại cũ làm từ nhựa tái chế có thể được nghiền nhỏ và biến thành dây tóc để sau đó có thể sử dụng để làm vỏ mới. Điều tương tự cũng có thể được thực hiện đối với điện thoại thông minh, theo đó các thành phần chính có thể được trích xuất (bộ xử lý, bộ nhớ và màn hình) và phần còn lại của thiết bị được tái chế đúng cách.
Tất nhiên, một nhà máy vi mô như vậy sẽ đòi hỏi sự thay đổi cơ bản trong cách các kỹ sư phát triển sản phẩm. Thay vì dựa vào các thiết kế phức tạp, độc đáo, các thiết bị sẽ phải được chế tạo từ những bộ phận thông dụng và có thể dễ dàng lắp ráp với nhau. Trong trường hợp của điện thoại thông minh, các thiết bị trong tương lai sẽ phải sử dụng một đầu nối đơn có thể hoạt động với mọi kích thước màn hình (tương tự như micro HDMI) và kiến trúc chung trong bo mạch chủ.
Những nhà máy vi mô như vậy cũng sẽ giúp trao quyền cho các khu vực địa phương, đặc biệt là những khu vực ở xa. Thay vì phải vận chuyển thiết bị từ xa hàng ngàn dặm, có thể tạo ra một sản phẩm từ đầu. Vì vật liệu tái chế sẽ được lưu giữ tại địa phương cho nhà máy vi mô nên tác động môi trường từ việc tiêu thụ sẽ ở mức tối thiểu, đồng thời cung cấp chính xác các dịch vụ mà người dân địa phương cần.
Những công nghệ nào có thể mang lại sức mạnh cho một tương lai như vậy?
Với tình trạng công nghệ hiện nay, ý tưởng về một nhà máy vi mô giống như một giấc mơ hơn là hiện thực, nhưng điều đó không có nghĩa là khái niệm này còn lâu mới trở thành hiện thực.
Công nghệ nổi bật nhất để tạo điều kiện cho một tương lai như vậy là in 3D và điều này là do khả năng tạo ra bất kỳ hình dạng nào mà không cần khuôn hoặc máy móc hạng nặng phức tạp. Vì in 3D có thể được sử dụng với nhiều loại vật liệu tái chế nên nó lý tưởng để sử dụng tại trung tâm tái chế địa phương, nghiền nhỏ các vật liệu cũ và biến chúng thành dạng viên và/hoặc sợi nhỏ.
Hơn nữa, bởi vì Máy in 3D có thể in nhiều vật liệu cùng lúc, chúng có thể được sử dụng để tạo ra các thiết kế phức tạp, với các thành phần được in trực tiếp vào các bộ phận bên trong của vỏ (chẳng hạn như ăng-ten).
Những tiến bộ trong công nghệ in 3D và điện tử in: Tiên phong cho tương lai của các nhà máy vi mô
Một công nghệ quan trọng khác sẽ mang lại lợi ích cho các nhà máy vi mô là thiết bị điện tử in. Tương tự như máy in 3D, thiết bị điện tử in là các mạch có thể được thực hiện hoàn toàn từ công nghệ in ấn truyền thống (chẳng hạn như máy in phun). Không giống như máy in 3D, thiết bị điện tử in có thể có các chi tiết cực nhỏ, điều này lý tưởng để in các thành phần thụ động trên các thiết kế phức tạp. Tuy nhiên, công việc đang được thực hiện để sản xuất chất bán dẫn bằng quy trình tương tự, nghĩa là có thể tạo ra các mạch chức năng, tất cả đều từ mực có thể in được.
CNC là một phương pháp sản xuất khác sẽ giúp hiện thực hóa các nhà máy vi mô và mặc dù những máy này đã tồn tại trong nhiều thập kỷ nhưng chỉ gần đây chúng mới trở nên có giá cả cực kỳ phải chăng. Thay vì phải trả hàng nghìn đô la cho một chiếc, sẽ có thể có nhiều máy nhỏ hơn có thể hoạt động đồng thời trên các dự án riêng lẻ.
Ngay cả khắc laser đang trở nên rẻ hơn, bản thân chúng cực kỳ hữu ích cho việc sản xuất. Tuy nhiên, không giống như CNC sử dụng các mũi phay cơ học, máy cắt laser dễ tự động hóa hơn nhiều, có thể tạo ra các bộ phận nhanh hơn nhiều và hoàn hảo cho các hoạt động sản xuất quy mô vừa và nhỏ.
Mặc dù đây không phải là tất cả các công nghệ sẽ giúp trao quyền cho các nhà máy vi mô, nhưng chúng chứng minh rằng việc sản xuất quy mô nhỏ là hoàn toàn có thể thực hiện được và rất có thể trở thành cấu trúc liên kết mong muốn của các kỹ sư tương lai.