Aufbau- und Verbindungskonzept zur Herstellung von recycelbaren Elektronikgeräten basierend auf funktionalisierten Gehäuseschalen aus Aluminium
Laufzeit: 01.10.2023 – 30.09.2025
Beschreibung
Mit dem Ziel, elektronische Produkte über den gesamten Produktlebenszyklus und insbesondere für das Recycling energie- und materialoptimiert zu gestalten, werden in diesem Forschungsprojekt bestehende MID-Technologien zur Herstellung elektronischer Schaltungen und Antennen an ein Produktgehäuse-Konzept für IKT-Geräte auf Aluminiumbasis angepasst. Das Recycling von Aluminium und die Verwendung von recyceltem Aluminium ist ein großer Beitrag zu den Zielen der Kreislaufwirtschaft gemäß dem Green-Deal-Programm der Europäischen Kommission. Erste Schätzungen zeigen, dass ein Aluminiumgehäuse umweltverträglicher ist als ein vergleichbares Gehäuse aus Kunststoff.
Der Einsatz von Aluminium in kleinen Netzwerkgeräten wie WLAN-Routern oder 5G-Funkstationen dient im Projekt mehreren Zwecken. Aluminium wird vor allem als Gehäusematerial mit Doppelfunktion als Wärmespreizer für die elektronische Baugruppe verwendet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, aktive Lüfter in Kombination mit Kühlkörpern und einem Kunststoffgehäuse zu verwenden. Das Aluminium fungiert auch als Träger für gedruckte Schaltungen, elektronische Komponenten und insbesondere die planaren Antennen. Dieses Materialkonzept macht das IKT-Produkt sehr kompakt. Außerdem wird der umweltproblematische Einsatz von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen, die üblicherweise für diesen Zweck verwendet werden, reduziert.
Aufgrund des neuen Konzepts der Kreislaufwirtschaft, das im Mittelpunkt des Projekts steht, werden eine Reihe von Märkten und die entsprechenden Branchen von einem solchen Projekt profitieren. Das Projekt reicht vom vorgelagerten Markt der Aluminium- und Gießereiindustrie über die Herstellung von elektronischen Bauteilen und Geräten bis hin zur Behandlung und Wiederverwertung von Elektronikschrott. Mit den neuen Fertigungstechnologien und Ökodesign-Ansätzen kann das Projekt eine breite Palette von Anwendungen auf dem Elektronik- und IKT-Markt finden, z. B. Set-Top-Boxen und Industriecomputer.
Insbesondere wird das Projekt den KMU zeigen, wie ressourcenschonendes Ökodesign praktisch in die frühe Technologie- und Produktentwicklung integriert werden kann, wobei der gesamte Produktlebenszyklus berücksichtigt wird. Es demonstriert auch die Ansätze für ein „Design für Recycling“ und ein „Design aus recycelten Materialien“.
Das Projekt setzt innovative Herstellungs- und Recyclingtechnologien für eine effektive Kreislaufwirtschaft um. Es zeigt, wie der Kohlenstoff-Fußabdruck berechnet und durch ein neuartiges, multifunktionales Wohnkonzept reduziert werden kann. Ziel des Projekts ist es, den Materialkreislauf auf Aluminiumbasis zu schließen, ohne dabei die wertvolleren seltenen und kostbaren Materialien (Gold, Palladium, Wolfram usw.) der elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte zu verlieren.
Forschungsziele
Die wichtigste Innovation ist die Substitution des herkömmlichen Kunststoffgehäuses durch Aluminium und eine Verringerung der Leiterplattenfläche durch die Montage elektronischer Komponenten und Schaltkreise direkt auf dem auf dem Aluminiumgehäuse. Das Aluminium-Gehäusekonzept ermöglicht viele Eigenschaften wie hermetische Abdichtung, hohe elektromagnetische Abschirmung, impedanzkontrollierte Verbindungen und Durchkontaktierungen sowie eine lüfterlose passive Kühlung. Das neue Technologie- und Designkonzept wird auch Das neue Technologie- und Designkonzept wird sich auch auf eine einfache Demontage konzentrieren, um das Materialrecycling am Ende der Lebensdauer des Produkts zu optimieren.
Zu den Innovationszielen gehören:
- Adaption einer bestehenden Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) und des Metallisierungsprozesses auf Aluminiumoberflächen mit dem Ziel der Substitution von Kunststoffen.
- Co-Design eines Aluminiumgehäuses gleichzeitig als Antennen- und Schaltungsträger, integrierter Kühlkörper (Wärmemanagement) und für eine einfache Montage und Demontage. Dies ist ein methodischer Aspekt des modernen Ökodesigns.
- Reduzierung der Glasfaser-/Epoxid-Leiterplatte durch Montage von mehr elektronischen Komponenten direkt auf dem Aluminiumgehäuse.
- Bewertung der wirtschaftlich und ökologisch besten Verfahrensoption für die Trennung der elektronischen Bauteile vom Aluminiumgehäuse, um ein Al-Recycling zu erreichen. Es werden drei verschiedene Optionen bewertet.
- Lebenszyklusorientierte Produktbewertung, die die ökologischen und wirtschaftlichen Vorteile der neuen Technologie und der angewandten Designs quantifiziert.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
Das Projekt hat aufgrund des Konzepts der Kreislaufwirtschaft ein hohes Potenzial zur Stärkung der lokalen Elektronik-/IKT-Industrie in Polen, Deutschland und der EU im Allgemeinen. Obwohl die meisten mikroelektronischen Komponenten nicht in der EU hergestellt werden, wird die neuartige Montage- und Systemintegrationstechnologie die lokale Produktion und das Elektronikrecycling fördern. Zunächst einmal ermöglicht das neue Technologiekonzept eine hochautomatisierte Produktion und eine schnelle Markteinführung auch bei kleinen Produktionslosen. Dieser Geschäftsaspekt ist für die europäische Industrie sehr wichtig, da sie in der Regel relativ kleine Produktionsserien bei den Zulieferern in China und Südostasien in Auftrag gibt, wo diese Aufträge eine sehr niedrige Priorität haben und viel Zeit in Anspruch nehmen. Wenn sich das Recycling elektronischer Bauteile in Zukunft ebenfalls verbessern würde, könnte eine regionale Kreislaufwirtschaft in der Elektronikindustrie möglich werden.
Ein wichtiges Bindeglied in diesem technischen und wirtschaftlichen Konzept ist der niedrigere Preis für recyceltes Aluminium. Die Elektronikindustrie ist stark kostengetrieben und verwendet daher derzeit noch preiswerte Kunststoffe für Gerätegehäuse. Das ALU4CED-Konzept verfolgt jedoch einen multifunktionalen Ansatz für den Einsatz von Aluminium. Die meisten passiv gekühlten kleinen Netzwerkgeräte haben bereits erhebliche Mengen an Edelstahl, Aluminium oder sogar Kupfer für Kühlkörper und EMV-Schutz eingebaut. Dieser Trend nimmt aufgrund des Leistungsbedarfs von Hochfrequenz- und Multiband-MIMO-Antennensystemen sowie der Edge-Computing-Funktionen dieser Geräte zu. Daher wird der Preis für ein Gehäuse auf Aluminiumbasis die Gesamtherstellungskosten nicht wesentlich erhöhen (nur bei sehr geringen Stückzahlen, wo die Druckgussform zu teuer sein könnte). Eine vorläufige Berechnung zeigt, dass der monetäre Materialwert von Aluminiumgehäusen nur 2 bis 3 Mal höher ist. Darüber hinaus dürfte recyceltes Aluminium deutlich billiger sein als neues bauxitbasiertes Aluminium, da für die Herstellung von recyceltem Aluminium weniger als 10 % der Energiemenge benötigt wird, die für neues Aluminium erforderlich ist.5 Die Energiekosten machen bis zu 40 % der gesamten Herstellungskosten von Aluminium aus.6 7 Daher werden die Gesamtkosten für Aluminium durch recyceltes Aluminium um bis zu 35 % gesenkt. Dies macht Aluminium gut mit Kunststoffen kompatibel. Und es gibt noch weitere Aspekte zu diesem Thema.
Während unter den derzeitigen (2022) Bedingungen des begrenzten Zugangs zu fossilen Brennstoffen, einschließlich Öl, die Preise für Kunststoffe steigen, ist die Verwendung von recyceltem Aluminium mittelfristig wirtschaftlich und ökologisch absolut sinnvoll. Laut einer Umfrage des deutschen Verbands der Kunststoffindustrie steigen die Preise für die 11 gängigsten Polymere seit Anfang 2022 und vor dem russischen Einmarsch in der Ukraine drastisch um durchschnittlich 65 %.8 Im Vergleich dazu sank der Preis für Aluminium nach einem kurzen Anstieg um über 35 % seit dem Ausbruch des Krieges im Februar 2022.9 Die lokale Aluminium- und Gussindustrie wird von dem Projekt profitieren, indem sie zu einem neuen Systemintegrator für die Elektronik- und IKT-Industrie wird. Diese Industrie wird auch finanziell von der erhöhten Recyclingrate der aluminiumbasierten Produkte profitieren. Mit größeren Mengen an recycelten Materialien könnte der Preis für recyceltes Aluminium weiter sinken, so dass es für die Anwendungsmärkte besser verfügbar wird. Auf der anderen Seite ist das Recycling von Kunststoffen wirtschaftlich nicht machbar, insbesondere wegen des erheblichen Downcyclings und der daher sehr begrenzten Wiederverwendungsmöglichkeiten des recycelten Kunststoffs.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Rahmen des Projekts eine Technologie entwickelt wird, von der eine Reihe verschiedener Branchenakteure entlang der Kreislaufwertschöpfungskette profitieren werden. Es wird unseren KMU die Methode der aktiven Mitgestaltung mit Blick auf die Kreislaufwertschöpfungskette demonstrieren. Das Projekt implementiert auch innovative Herstellungs- und Recyclingtechnologien für eine effektive Kreislaufwirtschaft. Es schließt den Materialkreislauf eines Massenmaterials wie Aluminium, ohne die wertvolleren seltenen und kostbaren Materialien (Gold, Palladium, Wolfram usw.) der elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte zu vernachlässigen. Die Industrie wird die Technologie für druckgussbasierte elektronische Baugruppen erlernen. Die geplanten Machbarkeitsanalysen (wirtschaftliche und ökologische Bewertungen) werden wertvolle Daten für weitere Anwendungen und Verbesserungen des neuen Konzepts liefern. Das Projekt wird diese Marktorientierung durch die Entwicklung von Ökodesign-Richtlinien, Testkonzepten, Referenzarchitekturen und Werkzeugen unterstützen.
Forschungsinstitute
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Dokumente
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