I SUSTRONICS-projektet visar sensorer och diagnostiska patchar hur alternativa material och LCA-analyser minskar utsläpp och resursanvändning.

En sensor integrerad i ett glukosmätningsplåster kan sänka blodsockernivåerna med cirka 65 procents koldioxidavtryck av enheten. När det gäller flexibla elektroniska moduler avsedda för smarta sårplåster kan valet av olika substrat och ledande bläck istället minska upp till 95 procents miljöpåverkan jämfört med den konventionella kombinationen av PET och silver. Resultaten som erhölls i det europeiska programmet SUSTRONICS De indikerar hur stor inverkan ett till synes begränsat beslut, fattat när en produkt fortfarande ligger på designers skrivbord, kan ha.

Det är just denna förväntan som är den centrala punkten i det arbete som utförs av Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit och Mikrointegration IZMIstället för att bara ingripa i återvinningen av redan konstruerad utrustning, tillämpade forskarnalivscykelanalys, eller livscykelanalys (LCA), under forsknings- och utvecklingsfasen. Råvaror, tillverkning, användning och slut på livscykeln utvärderas således innan vissa tekniska val blir svåra eller kostsamma att ändra.

Metoden tar itu med ett växande problem för elektronikindustrin: allt fler och mer sofistikerade enheter kräver energi, material och ofta kritiska råvaror, medan övergången till en mer cirkulär ekonomi kräver att man beaktar reparationsmöjligheter, återanvändning och återvinning. SUSTRONICS har tagit itu med denna fråga genom att sammanföra 45 forsknings- och industripartners i elva europeiska länder, under samordning av Philips Nederland BV, med tillämpningar inom bland annat sjukvårdselektronik, diagnostik och fordonsindustrin.

LCA-analysen identifierar var miljöpåverkan har sitt ursprung

En effektiv miljöbedömning består inte bara av att tilldela ett totalt utsläppsvärde till en anordning. För att vara användbar för konstruktörer måste den identifiera miljömässiga heta områden, det vill säga de komponenter, material eller processer som står för en särskilt hög andel av påverkan under hela livscykeln. Det är på dessa punkter som en designändring kan ha störst inverkan.

Fraunhofer IZM-gruppen ledde analyserna av David sanchez granskade demonstranterna med hänsyn till indikatorer som Global uppvärmningspotential, användningen av kritiska material och toxicitet. I glukosmätningslappar fann man att elektroder De koncentrerade nästan uteslutande de upptäckta miljöpåverkan. Detta är viktigt eftersom det förändrar frågan som ställs till ingenjörerna: det är inte nödvändigtvis nödvändigt att konstruera om hela anordningen om huvudproblemet kan åtgärdas genom att åtgärda en väl identifierad komponent.

Informationen som erhölls genom livscykelanalyserna överfördes sedan till utvecklingspartnerna. Material, tillverkningsprocesser och produktarkitektur kunde modifieras innan nästa fas gick vidare. Onalabs, en av deltagarna i programmet, integrerade en optisk sensor i mätområdet, vilket enligt de utvärderingar som genomförts i projektet uppnådde en minskning med cirka 65 procent av det totala koldioxidavtrycket.

Metoden introducerar således en form av miljöåterkoppling i den normala cykeln av forskning och utvecklingEkodesign behandlas inte som ett slutgiltigt test, utan som en designparameter vid sidan av prestanda, tillförlitlighet, kostnad och tillverkningsbarhet. Den potentiella fördelen är särskilt tydlig inom medicinsk elektronik, där det kan bli komplext att modifiera en produkt i ett avancerat skede, särskilt på grund av validerings- och tillförlitlighetskrav.

Substrat och bläck ändrar balansen mellan patchar

Fallet med den smarta sårplåster Detta visar ännu tydligare hur material kan bestämma fotavtrycket för en flexibel elektronisk modul. Dessa enheter måste kombinera sensorfunktioner och elektroniska komponenter med tunna, lätta och kroppsanpassade substrat. Deras lilla fysiska storlek innebär inte nödvändigtvis en lika liten inverkan: ledande material och tillverkningsprocesser kan ha en betydande inverkan på den totala budgeten.

Utvärderingar som genomfördes inom SUSTRONICS jämförde standardkonfigurationen baserat på PET och silver med olika kombinationer. Genom att använda alternativa substrat, ledande bläck som kol istället för silver, och återvunna material, kan effekten av flexibla elektroniska moduler minskas, under de analyserade förhållandena, upp till 95 procent.

"Genom att bara använda olika ledande substrat och bläck, som Thinstar och kol istället för silver, och genom att använda återvunnet material, kan miljöpåverkan från flexibla elektroniska moduler i produkten minskas med upp till 95 procent jämfört med standardkombinationen av PET och silver."

förklarade han David Sanchez Fernandez del Fraunhofer IZM.

Denna data betyder inte att varje elektronisk enhet automatiskt kan uppnå denna minskningsnivå. Resultatet gäller de jämförda konfigurationerna och beror på de material, arkitektur och gränser som används i bedömningen. Det visar dock varför livscykelanalys (LCA) kan bli ett beslutsfattande verktyg: det möjliggör jämförelse av tekniska alternativ före produktion och förhindrar att valet av en komponent med hög påverkan införlivas i produkten på grund av designinträgti.

Principen sträcker sig till hållbarhet elektronik i bredare bemärkelse. SUSTRONICS har arbetat med material som förbrukar mindre resurser, Tryckt elektronik, mer energieffektiva produktionsprocesser och strategier för återanvändning, reparation och återvinning. Det tekniska målet är att samtidigt beakta produktion och slut på livscykeln, för att förhindra att en förbättring som uppnåtts i en fas helt enkelt överför sin påverkan till en annan.

Hållbarhet går in i elektronikdesign

Frågan får en industriell dimension eftersom europeisk elektronik samtidigt måste tillgodose prestandabehov, tillgång till råvaror och minskad miljöpåverkan.Europeiska unionen Den har satt målet om klimatneutralitet till 2050 som en del av den gröna given, medan den cirkulära ekonomin också kräver åtgärder kring hur varor och komponenter designas, tillverkas, används och återvinns.

SUSTRONICS försöker föra in denna logik i elektroniktekniken genom en kombination av ekodesign, nya material, tillverkning och kvantitativa utvärderingarDetta är ett viktigt steg eftersom en del av en enhets framtida påverkan bestäms långt innan den kommer in i fabriken: valet av metall, substrat, sammankopplingsteknik eller arkitektur är sällan resursneutralt.

Närvaron av medicinska demonstratörer gör det också möjligt att testa metoden i en sektor där stötdämpning inte kan äventyra enhetens primära funktion. En diagnostisk plåster eller ett sårövervakningssystem måste fortsätta att leverera förväntad prestanda. Av denna anledning införlivades även miljöanalyser i projektet. tillförlitlighetstest, ett annat expertområde inom Fraunhofer IZM.

Sambandet mellan hållbarhet och hållbarhet är särskilt viktigt. Ett material med ett lägre initialt fotavtryck är inte nödvändigtvis det bästa alternativet om det minskar tillförlitligheten i en sådan grad att utbyten och avfall ökar. Livscykelmetoden tjänar just till att undvika bedömningar som är begränsade till en enda fas, och istället beakta hela spektrumet av konsekvenser som är förknippade med designval.

”Genom att tillhandahålla meningsfulla data för livscykelanalyser bidrar Fraunhofer IZM till miljövänlig design av elektroniska produkter redan i forsknings- och utvecklingsfasen.”

sammanfattade han slutligen, David Sánchez.

Från demonstratorer till en industrianvändbar metod

SUSTRONICS ägde rum från 1 juni 2023 till 31 maj 2026Slutsatsen av de experimentella aktiviteterna skiftar nu fokus till att tillämpa de utvecklade metoderna bortom enskilda demonstratorer. Det industriella värdet av erfarenheterna kommer att bero på möjligheten att införliva livscykelanalys (LCA), materialval och cirkularitetskriterier i de standardprocedurer som används för att utveckla nya elektroniska produkter.

Konsortiet inkluderar ett brett spektrum av intressenter: elektroniktillverkare, medicinska företag, universitet, forskningscentra och materialspecialister. Deltagarna inkluderar: Philips, TNO, Signify, Infineon Technologies Österrike, Medizinische Universität Graz, VTT, Tammerfors universitet, Canatu, UPM Raflatac, CEA, Faurecia, RISE, Göteborgs Universitet, Essity, CSEM, Hamburgs tekniska universitet och Fraunhofer IZM. Denna sammansättning gör det möjligt att jämföra metoden med olika produktionsbehov och tillämpningar, snarare än att begränsa den till en enda teknik.

Programmet stöddes enligt Chips Joint Undertaking, med bidragsavtalet 101112109 och ytterligare finansiering från europeiska länder. Arbetet fick också 1,71 miljoner euro av det tyska Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt och av det schweiziska statssekretariatet för utbildning, forskning och innovation, SERIDeltagandet av organisationer inom Schweiz utvidgar programmets omfattning bortom EU:s medlemsstater.

Den fråga som projektet lämnar öppen gäller därför inte bara den tekniska möjligheten att konstruera en lapp med ett annat material. Demonstratörerna indikerar att miljöpåverkan kan mätas tillräckligt tidigt för att påverka ett tekniskt beslutDetta flyttar LCA från en rapporteringsfunktion till ett designverktyg.

För medicinsk elektronik är skillnaden betydande. Minskningar i 65 procent av koldioxidavtrycket i en enhet och upp till 95 procent av miljöpåverkan Resultaten från specifika moduler visar den potentiella effekten av att välja sensorer, substrat och ledande material. Det här är inte procentsatser som automatiskt kan tillämpas på varje produkt, utan snarare fallstudier som gör att vi kan identifiera var vi ska ingripa.

Nästa test blir att verifiera i vilken utsträckning dessa kriterier kan införlivas i vanliga industriella processer utan att kompromissa med tillförlitlighet, prestanda och ekonomisk hållbarhet. Om miljöanalysen utförs medan material och arkitekturer fortfarande kan modifieras, kan kostnaden för designjusteringar hanteras innan tillverkning och leveranskedjor skärper reglerna. Detta är steget som SUSTRONICS levererar till industrin: mäta effekten medan produkten designas, inte bara när den redan har blivit e-avfall.

Här är tre insikter som kan intressera dig:

Kretsar från förnybara råvaror för "grön" elektronik
Det finns en "spion" i magen, och det är ett plåster med sensorfunktioner
Sustainable Product Policy Initiative: nytt material och EU-policyer