Vědci z FEL ČVUT a VŠCHT hledají způsob, jak z PET lahví vyrábět elektroniku

V roce 2021 bylo celosvětově vyprodukováno 57,4 milionů tun elektronického odpadu, celkový objem produkce roste v průměru o dva miliony tun ročně. Přitom jen 17,4 procent elektronického odpadu se sbírá a řádně recykluje. Připravit alternativní proces výroby elektronických komponent, který bude šetrnější k životnímu prostředí, je cílem výzkumníků z katedry elektrotechnologie FEL ČVUT a ústavu polymerů VŠCHT Praha. Jako perspektivní materiál pro náhradu velmi obtížně recyklovatelných epoxidových pryskyřic se jeví polymery využívané pro 3D tisk.

Až 10 % z elektronického odpadu tvoří desky plošných spojů, které jsou základním stavebním kamenem pro drtivou většinu elektronických zařízení. Na výrobu izolačního substrátu se používá epoxidová pryskyřice vyztužená skelnými vlákny, obsahující další, poměrně toxické látky, které slouží jako retardéry hoření. Jde ale o prakticky nerecyklovatelný materiál, z vysloužilé desky plošných spojů tedy většinou lze znovu použít pouze kovy.

„Naším cílem je nejen už při výrobě eliminovat materiály, které nejdou recyklovat, ale připravit a otestovat celý alternativní proces výroby elektroniky, který bude šetrnější k životnímu prostředí. Pro výrobu nosného substrátu je možné využít polymerní látky, které se používají mimo jiné při 3D tisku, např. PET. Těmi, po jejich vhodné modifikaci pro zajištění požadavků pro elektronické výrobky, nahradíme epoxidovou pryskyřici,“ popsal dr. Petr Veselý z katedry elektrotechnologie Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze hlavní cíle výzkumu.

Vedle skupiny 3DP Lab – Vývoj a výzkum materiálů pro 3D tisk v elektronice, jejímž vedoucím je právě dr. Veselý, se na výzkumu podílejí i pracovníci Ústavu polymerů na VŠCHT Praha pod vedením dr. Čadka. „Naším úkolem je právě vývoj a výroba strun pro 3D tisk, které budou mít vhodné vlastnosti pro výrobu nosných substrátů. Ty bude zároveň možné použít po skončení jejich životnosti jako vstupní surovinu pro opětovnou výrobu tiskové struny,“ komentuje Jonáš Uřičář, student zapojený do projektu.

3D tisk zjednoduší technologii výroby

Při konvenčním způsobu výroby desek plošných spojů dochází k chemickému leptání měděné vrstvy a tím k tvorbě vodivých motivů pro propojení jednotlivých součástek. Ty se pak na desku plošných spojů připojují nejčastěji pájením. Takový způsob výroby je však energeticky náročný a využívají se při něm látky potenciálně nebezpečné pro životní prostředí a značné množství vody.

Ing. Petr Veselý, Ph.D.

Díky využití technologie 3D tisku lze vyrábět desky plošných spojů s již zapouzdřenými elektronickými součástkami v těle substrátu, které se navzájem propojí během následného potisku elektricky vodivým inkoustem. Zapouzdření zajistí mechanickou integritu obvodu, která by jinak byla oproti konvenčnímu řešení snížena kvůli horším mechanickým vlastnostem recyklovaných plastů. Tento alternativní postup výroby eliminuje energeticky a chemicky náročné procesy a tím může dle dr. Veselého významně přispět ke snížení uhlíkové stopy výroby elektronických výrobků.

„Zapojení technologie 3D tisku také kromě enviromentální stránky přináší možnost pružné reakce na případné změny návrhu výrobku a proces výroby značně zjednodušuje. Tím se stává ideálním například pro výrobu prototypů či menších výrobních sérií, kde lze předpokládat i významné snížení výrobní ceny,“ doplnil dr. Veselý. Cílem výzkumu je však také posunout vývoj tohoto řešení směrem k velkosériové výrobě a širšímu využití v průmyslové praxi. Technologii 3D tisku lze pro velké výrobní série nahradit vstřikolisovou výrobou s využitím stejného vstupního materiálu ve formě recyklovaného termoplastu.

Výzkumníci z FEL a VŠCHT zatím technologii testují na jednovrstvých deskách plošných spojů. Prvotní výsledky prezentovali na mezinárodní konferenci International Spring Seminar on Electronics Technology v rumunském Temešváru v letošním květnu. Protože je ale pro většinu obvodů moderní elektroniky zapotřebí vícevrstvých desek (typicky 4 až 16 vrstvých), budou snahy výzkumné skupiny v této oblasti dále pokračovat. Společně podávají návrh projektu do programové výzvy Technologické agentury České republiky s názvem Prostředí pro život, která by v případě udělení podpory měla poskytnout financování pro další úspěšný vývoj představeného řešení.

V roce 2019 bylo vyprodukováno 53,6 milionu tun elektronického odpadu, z toho:

• 17,4 milionů tun malých zařízení – včetně mikrovlnných trub, vysavačů, ventilátorů, varných konvic, toustovačů, holicích strojků, fénů, rádií, nářadí a hraček (32,5 %)
• 13,1 milionů tun velkých zařízení – včetně praček, sušiček, sporáků, kamen a myček nádobí. (24,4 %)
• 10,8 milionů tun zařízení pro výměnu teploty – včetně chladniček, mrazniček, klimatizace a tepelných čerpadel (20,1 %)
• 6,7 milionů tun obrazovek a monitorů – včetně televizorů, monitorů, notebooků a tabletů (12,5 %)
• 4,7 milionů tun drobného IT a telekomunikačního vybavení – včetně mobilních telefonů, telefonních pouzder, bezdrátových routerů, klávesnic, elektronických čteček, GPS a kapesních kalkulaček (8,8 %)
• 0,9 mil. tun svítidel, žárovek a LED diod (1,7 %)

Ilustrační fotografie: Petr Neugebauer, FEL ČVUT