I SUSTRONICS-prosjektet viser sensorer og diagnostiske patcher hvordan alternative materialer og LCA-analyser reduserer utslipp og ressursbruk.

En sensor integrert i en glukosemålingsplaster kan redusere blodsukkernivået med omtrent 65 prosent karbonavtrykk av enheten. Når det gjelder fleksible elektroniske moduler beregnet på smarte sårplaster, kan valget av forskjellige underlag og ledende blekk i stedet redusere opptil 95 prosent miljøpåvirkning sammenlignet med den konvensjonelle kombinasjonen av PET og sølv. Resultatene oppnådd i det europeiske programmet SUSTRONICS De indikerer hvor stor innvirkning en tilsynelatende begrenset beslutning, tatt når et produkt fortsatt ligger på designerens skrivebord, kan ha.

Det er nettopp denne forventningen som er det sentrale punktet i arbeidet som utføres av Fraunhofer-Institut for Zuverlässigkeit og Mikrointegrasjon IZMI stedet for bare å gripe inn i resirkuleringen av allerede utviklet utstyr, anvendte forskernelivssyklusanalyse, eller livssyklusanalyse (LCA), i løpet av forsknings- og utviklingsfasen. Råvarer, produksjon, bruk og slutten av levetiden evalueres dermed før visse teknologiske valg blir vanskelige eller kostbare å endre.

Tilnærmingen tar for seg et voksende problem for elektronikkindustrien: stadig flere og mer sofistikerte enheter krever energi, materialer og ofte kritiske råvarer, mens overgangen til en mer sirkulær økonomi krever at man vurderer reparerbarhet, gjenbruk og gjenvinning. SUSTRONICS har adressert dette problemet ved å samle 45 forsknings- og industripartnere i elleve europeiske land, under koordinering av Philips Nederland BV, med bruksområder som helseelektronikk, diagnostikk og bilindustrien.

LCA-analysen identifiserer hvor miljøpåvirkningen oppstår

En effektiv miljøvurdering består ikke bare av å tildele en samlet utslippsverdi til en enhet. For å være nyttig for designere, må den identifisere miljømessige hotspots, det vil si komponentene, materialene eller prosessene som er ansvarlige for en spesielt høy andel av påvirkningen gjennom hele livssyklusen. Det er på disse punktene en designendring kan ha størst innvirkning.

Fraunhofer IZM-gruppen ledet analysene av David Sanchez undersøkte demonstrantene med tanke på indikatorer som Potensial for global oppvarming, bruk av kritiske materialer og toksisitet. I glukosemåleplaster ble det funnet at elektroder De konsentrerte nesten utelukkende de oppdagede miljøpåvirkningene. Dette er viktig fordi det endrer spørsmålet som stilles til ingeniørene: det er ikke nødvendigvis nødvendig å redesigne hele enheten hvis hovedproblemet kan løses ved å ta tak i en velidentifisert komponent.

Informasjonen som ble innhentet gjennom livssyklusanalysene ble deretter overført til utviklingspartnerne. Materialer, produksjonsprosesser og produktarkitektur kunne modifiseres før man gikk videre til neste fase. Onalabs, en av deltakerne i programmet, integrerte en optisk sensor i måleflaten, og oppnådde, ifølge evalueringene som ble utført i prosjektet, en reduksjon på omtrent 65 prosent av det totale CO₂-avtrykket.

Metodikken introduserer dermed en form for miljøtilbakemelding i den normale syklusen av forskning og utviklingØkodesign behandles ikke som en endelig test, men som en designparameter sammen med ytelse, pålitelighet, kostnad og produksjonsevne. Den potensielle fordelen er spesielt tydelig innen medisinsk elektronikk, hvor det kan bli komplekst å modifisere et produkt på et avansert stadium, spesielt på grunn av validerings- og pålitelighetskrav.

Substrater og blekk endrer balansen mellom lapper

Tilfellet med den smarte sårplaster Dette viser enda tydeligere hvordan materiale kan bestemme fotavtrykket til en fleksibel elektronisk modul. Disse enhetene må kombinere sensorfunksjoner og elektroniske komponenter med tynne, lette og kroppsformede substrater. Deres lille fysiske størrelse betyr ikke nødvendigvis en like liten innvirkning: ledende materialer og produksjonsprosesser kan ha en betydelig innvirkning på det totale budsjettet.

Evalueringer utført innen SUSTRONICS sammenlignet standardkonfigurasjonen basert på PET og sølv med forskjellige kombinasjoner. Ved å bruke alternative substrater, ledende blekk som karbon i stedet for sølv, og resirkulerte materialer, kan virkningen av fleksible elektroniske moduler reduseres under de analyserte forholdene, opptil 95 prosent.

«Bare ved å bruke forskjellige ledende substrater og blekk, som Thinstar og karbon i stedet for sølv, og ved å bruke resirkulerte materialer, kan miljøpåvirkningen av fleksible elektroniske moduler i produktet reduseres med opptil 95 prosent sammenlignet med standardkombinasjonen av PET og sølv.»

forklarte han David Sanchez Fernandez den Fraunhofer IZM.

Disse dataene betyr ikke at alle elektroniske enheter automatisk kan oppnå dette reduksjonsnivået. Resultatet gjelder de sammenlignede konfigurasjonene og avhenger av materialene, arkitekturen og grensene som brukes i vurderingen. Det viser imidlertid hvorfor livssyklusanalyse (LCA) kan bli et beslutningsverktøy: det muliggjør sammenligning av tekniske alternativer før produksjon og forhindrer at valget av en komponent med høy innvirkning blir innlemmet i produktet på grunn av designinerti.

Prinsippet strekker seg til bærekraft elektronikk i bredere forstand. SUSTRONICS har jobbet med materialer som bruker mindre ressurser, Trykt elektronikk, mer energieffektive produksjonsprosesser, og strategier for gjenbruk, reparasjon og resirkulering. Det tekniske målet er å samtidig vurdere produksjon og slutt på levetiden, og forhindre at en forbedring oppnådd i én fase bare overfører effekten til en annen.

Bærekraft går inn i elektronikkdesign

Problemstillingen får en industriell dimensjon fordi europeisk elektronikk samtidig må imøtekomme ytelsesbehov, tilgjengeligheten av råvarer og reduksjon av miljøpåvirkning.Europeiske union Den har satt målet om klimanøytralitet innen 2050 som en del av den grønne avtalen, mens den sirkulære økonomien også krever tiltak for hvordan varer og komponenter designes, produseres, brukes og gjenvinnes.

SUSTRONICS prøver å bringe denne logikken inn i elektronikkteknikk gjennom en kombinasjon av økodesign, nye materialer, produksjon og kvantitative evalueringerDette er et viktig skritt fordi deler av en enhets fremtidige innvirkning bestemmes lenge før den kommer inn i fabrikken: valget av metall, substrat, sammenkoblingsteknologi eller arkitektur er sjelden ressursnøytralt.

Tilstedeværelsen av medisinske demonstratorer gjør det også mulig å teste tilnærmingen i en sektor der støtreduksjon ikke kan kompromittere enhetens primære funksjon. En diagnostisk lapp eller et sårovervåkingssystem må fortsette å levere forventet ytelse. Av denne grunn ble miljøanalyser også innlemmet i prosjektet. pålitelighetstest, et annet ekspertisefelt ved Fraunhofer IZM.

Forholdet mellom holdbarhet og bærekraft er spesielt viktig. Et materiale med et lavere initialt fotavtrykk er ikke nødvendigvis det beste alternativet hvis det reduserer påliteligheten til det punktet at utskiftninger og avfall øker. Livssyklustilnærmingen tjener nettopp til å unngå vurderinger som er begrenset til én enkelt fase, og i stedet vurdere hele spekteret av konsekvenser knyttet til designvalg.

«Ved å tilby meningsfulle data for livssyklusanalyse, bidrar Fraunhofer IZM til miljøvennlig design av elektroniske produkter allerede i forsknings- og utviklingsfasen.»

oppsummerte han til slutt, David Sánchez.

Fra demonstratorer til en metode som kan brukes i industrien

SUSTRONICS fant sted fra 1. juni 2023 til 31. mai 2026Avslutningen av de eksperimentelle aktivitetene flytter nå oppmerksomheten til å anvende de utviklede metodene utover individuelle demonstratorer. Den industrielle verdien av erfaringene vil avhenge av muligheten for å innlemme LCA, materialvalg og sirkularitetskriterier i standardprosedyrene som brukes til å utvikle nye elektroniske produkter.

Konsortiet inkluderer et bredt spekter av interessenter: elektronikkprodusenter, medisinske selskaper, universiteter, forskningssentre og materialspesialister. Deltakerne inkluderer: Philips, TNO, Signify, Infineon Technologies Østerrike, Medizinische Universität Graz, VTT, Tampere University, Canatu, UPM Raflatac, CEA, Faurecia, RISE, Göteborgs Universitet, Essity, CSEM, Tekniske Universitetet i Hamburg og Fraunhofer IZM. Denne sammensetningen gjør det mulig å sammenligne metoden med ulike produksjonsbehov og anvendelser, i stedet for å begrense den til én enkelt teknologi.

Programmet ble støttet under Fellesforetaket Chips, med tilskuddsavtalen 101112109 og ytterligere finansiering fra europeiske land. Arbeidet mottok også 1,71 millioner euro av det tyske Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt og av det sveitsiske statssekretariatet for utdanning, forskning og innovasjon, SERIEDeltakelsen fra organisasjoner fra Sveits utvider programmets virkeområde utover EUs medlemsstater.

Spørsmålet som prosjektet etterlater åpent gjelder derfor ikke bare den tekniske muligheten for å konstruere en lapp med et annet materiale. Demonstratørene indikerer at miljøpåvirkningen kan måles tidlig nok til å påvirke en ingeniørbeslutningDette flytter LCA fra en rapporteringsfunksjon til et designverktøy.

For medisinsk elektronikk er forskjellen betydelig. Reduksjoner i 65 prosent av karbonavtrykket i én enhet og opptil 95 prosent av miljøpåvirkningene Resultatene fra spesifikke moduler viser den potensielle effekten av å velge sensorer, substrater og ledende materialer. Dette er ikke prosenter som automatisk kan brukes på alle produkter, men snarere casestudier som lar oss identifisere hvor vi skal gripe inn.

Den neste testen vil være å verifisere i hvilken grad disse kriteriene kan innlemmes i vanlige industrielle prosesser uten at det går på bekostning av pålitelighet, ytelse og økonomisk bærekraft. Hvis miljøanalysen utføres mens materialer og arkitekturer fortsatt kan modifiseres, kan kostnadene ved designjusteringer håndteres før produksjons- og forsyningskjeder strammer inn reglene. Dette er steget SUSTRONICS leverer til industrien: måle effekten mens produktet designes, ikke bare når det allerede har blitt e-avfall.

Her er tre innsikter som kan interessere deg:

Kretser fra fornybare råvarer for «grønn» elektronikk
Det er en "spion" i magen, og det er en lapp med sensorfunksjoner
Sustainable Product Policy Initiative: nye materialer og EUs retningslinjer