Informe de Dresde: Sostenibilidad en electrónica y tecnología de sensores

El desarrollo de conceptos sostenibles para productos electrónicos y su reciclado debe ampliarse para su aplicación industrial. Los investigadores de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Dresde (HTW Dresden) podrán presentar sus hallazgos sobre biopolímeros alternativos para capas portadoras y de sensores de base biológica y biodegradables como parte del proyecto "bioESens". En realidad, este iba a ser el tema de un evento en HTW Dresden en la primavera de 2020, pero tuvo que cancelarse debido a las restricciones impuestas por el coronavirus.

Los dispositivos o conjuntos eléctricos y electrónicos suelen fabricarse a partir de materias primas valiosas. Por lo tanto, su uso y recuperación merecen una atención especial. Hoy en día, la búsqueda de materiales nuevos y reutilizables, tecnologías sostenibles y procesos de reciclado es importante porque solo las placas de circuitos impresos, que se encuentran en casi todos los dispositivos técnicos, suman 50 millones de toneladas de residuos electrónicos al año, con una tasa de crecimiento anual de casi el 9%. Por ello, investigadores, desarrolladores y usuarios llevan décadas trabajando con creciente intensidad en soluciones tecnológicas sostenibles.

Reciclaje de metales y plásticos

En el Laboratorio de Tecnología Electrónica de HTW Carolin Henning y Philipp Zink con su premio al mejor póster y al mejor artículo del IEEE para jóvenes científicos en la ISSE 2020La recuperaciónde metales preciosos y otros metales a partir de chatarra esun tema de actualidad. Los compuestos de ácido cianhídrico (cianuros) se utilizan con este fin desde finales del siglo XIX. Se han buscado procesos de recuperación selectivos y de alto rendimiento sin estas toxinas ambientales, y no sólo desde la prohibición de la UE hace 10 años. Recientemente, investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, en Daejeon, informaron en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences sobre un proceso de reciclado de nuevo desarrollo basado en un polímero altamente poroso fabricado con las llamadas porfirinas, que puede utilizarse para recuperar metales preciosos de los residuos electrónicos. El método también funciona cuando hay más de 60 metales presentes en una solución.

Klaus Opwis, que investiga procesos similares de extracción de metales con textiles especiales en el Centro Alemán de Investigación Textil del Noroeste de Krefeld, califica este método de reciclaje con porfirinas de "enfoque muy prometedor". Sin embargo, Daniel Goldmann, de la Universidad Técnica de Clausthal-Zellerfeld, considera que el método "no carece de interés" desde el punto de vista científico, pero no reconoce ningún planteamiento para su aplicación a gran escala, ya que toda la chatarra electrónica debe disolverse en agua regia. Katrin Bokelmann, de Fraunhofer-IWKS, tampoco ve aquí un proceso estándar porque los pasos del proceso con ácidos y bases son demasiado complejos. Además, al final quedan como residuos. "Los procesos de fusión están establecidos para esto".

Hace tiempo que se ha desarrollado toda una industria en torno al reciclaje del plástico. La proporción de plásticos reciclados en productos industriales y envases rondaba el 12% en 2017. Sin embargo, la industria se enfrenta actualmente a grandes problemas. "Debido a la crisis del coronavirus, la demanda de la industria de transformación de plásticos sigue disminuyendo, lo que se traduce en una caída de los precios tanto del material virgen como de los reciclados", subraya Herbert Snell, vicepresidente de la Asociación Alemana de Materias Primas Secundarias y Eliminación de Residuos. Algunas plantas de reciclado ya han cerrado o están produciendo a menor capacidad. Por tanto, son absolutamente necesarios procesos más rentables y productivos y soluciones sostenibles.

Más debate sobre la sostenibilidad

El Grupo de Trabajo Sajón sobre Tecnología Electrónica (SAET) de VDE/VDI y el Grupo de Trabajo sobre Tecnología de Medición y Automatización de VDE organizaron un evento conjunto para debatir el tema de la "Sostenibilidad en la tecnología electrónica y de sensores". Esta idea surgió de la colaboración interdisciplinar en el proyecto "bioESens" para jóvenes investigadores de la HTW de Dresde, en el que participaron los dos presidentes de los grupos de trabajo, el profesor Reinhard Bauer y el profesor Gunther Naumann, junto con sus colegas.

Estructuras de prueba en tecnología de capa gruesa de polímeros sobre soporte de PLA (izquierda) y soporte de PLA con conductores de cobre para probar el ensamblaje de componentes (derecha)

Como tantas cosas en tiempos de Covid-19, este proyecto previsto para abril y el intento de posponerlo a junio fracasó "con la esperanza de que nuestras vidas hubieran vuelto a la normalidad para entonces" (organizador del SAET, Dr. Martin Oppermann, del IAVT de TU Dresden). Al final, este acontecimiento se convirtió en una "víctima de la corona".

"Las consultas, no sólo de los grupos de trabajo sobre el tema de la sostenibilidad, demuestran que el interés de los colegas del ramo es alto y muy actual", subrayó el Prof. Bauer. Por ello, los organizadores han decidido, junto con el autor, que ha informado casi regularmente sobre las reuniones del SAET en el PLUS, retomar este tema como parte del "Informe desde Dresde" y ponerlo así a disposición de los interesados. En la siguiente sección se ofrece información sobre el proyecto bioESens y una visión general de los puntos focales seleccionados a partir de las aportaciones del personal del proyecto.

El proyecto bioESens

Bancos de pruebas para ensayos de materiales ysensoresEl uso de biopolímeros en componentes electrónicos plantea exigencias especialmente elevadas en materia de composición y modificación para lograr los perfiles de propiedades requeridos. Sin embargo, el proyecto bioESens, vinculado a la Universidad de Ciencias Aplicadas de Dresde (HTW Dresden) y financiado por el Fondo Social Europeo (FSE), ha encontrado soluciones prácticas para el uso de plásticos de origen biológico en los campos de la electrotecnia, la electrónica y la tecnología de sensores, abarcando toda la cadena de valor, desde los biomateriales, su modificación y procesamiento material, su aplicación en tecnologías y funciones de sensores, hasta cuestiones de tecnología de producción, pruebas de aplicación, durabilidad y compatibilidad medioambiental.

La característica especial del proyecto, explicó el Prof. Bauer, es el fuerte enfoque interdisciplinario entre las Facultades de Agricultura/Medio Ambiente/Química (Prof. Kathrin Harre, Prof. Knut Schmidtke), Ingeniería Eléctrica (Prof. Reinhard Bauer) e Ingeniería Mecánica (Prof. Gunther Göbel, Prof. Gunther Naumann). En el marco de un grupo interdisciplinar de jóvenes investigadores, se formó a licenciados de diversas carreras de ingeniería de la HTW en el uso, diseño, desarrollo y reciclaje de productos fabricados con plásticos de origen biológico en las áreas de gestión de proyectos, habilidades sociales, actividades docentes propias y conocimientos especializados interdisciplinares. El proyecto también debería contribuir a la transferencia de los resultados actuales de la investigación a la práctica, al desarrollo de nuevos campos de aplicación para los plásticos de base biológica y al desarrollo interdisciplinar de la enseñanza y la investigación en los programas de grado de ingeniería.

Las publicaciones sobre los resultados del proyecto, por ejemplo en el 'International Spring Seminar on Electronics Technology' (ISSE), atrajeron la atención internacional en 2018 y 2020 e incluso fueron galardonadas con el 'Excellent Poster' y el 'Best Paper Award for Young Scientists' del IEEE.

Nuevos biopolímeros: idoneidad para ensamblajes electrónicos

Con PLA y aluminio estructurado por láser se pueden conseguir resistencias similares a las de los plásticosconvencionalesUn punto central del tema trabajado por Anna Schmid y Carolin Henning fue la selección y el desarrollo de nuevos biopolímeros como material de sustrato para soportes de cableado y la adaptación a los requisitos funcionales, así como a los procesos tecnológicos de las tecnologías de ensamblaje e interconexión (AVT). Los productos sostenibles anteriores suelen presentar los inconvenientes de una estabilidad térmica insuficiente y una baja protección contra el fuego. El ácido poliláctico (PLA) ha demostrado ser adecuado para soportes de cableado rígidos a ligeramente flexibles y el poliuretano (PU) para sustratos flexibles y moldeables. Ofrecen la posibilidad de reciclarse, utilizarse en un ciclo de materiales o biodegradarse. Los materiales de base se optimizaron utilizando aditivos para mejorar sus propiedades eléctricas, mecánicas (acetato de celulosa), de protección contra incendios (pirofosfato de zinc) y de procesamiento. El material de base se optimizó a escala de laboratorio y, a partir de él, se fabricaron sustratos en pequeñas series mediante moldeo por inyección para los siguientes ámbitos de investigación. Se consideraron campos de aplicación con requisitos limitados de temperatura, requisitos limitados de fiabilidad y duración de uso para una entrada en la electrónica, con biocompatibilidad a favor de aplicaciones en tecnología medioambiental y médica, por ejemplo. En las pruebas comparativas, las propiedades de los sustratos optimizados se aproximan al FR2 o incluso arrojan valores ligeramente más favorables para algunos parámetros (por ejemplo, rigidez dieléctrica Ud = 22 kV/mm, permitividad relativa εr = 2,5). En comparación con los portadores sostenibles conocidos hasta ahora, también se consiguió un aumento de la estabilidad térmica, que debe mejorarse en futuros desarrollos.

Se utilizó la tecnología de película gruesa de polímero para desarrollar portadores de sensores y cableado rentables. Se lograron anchuras de estructura mínimas de alrededor de 200 μm en ambos sistemas de materiales. Sin embargo, debido a la estabilidad de la temperatura, las pastas poliméricas tuvieron que curarse por debajo de las temperaturas de curado recomendadas con un perfil temperatura-tiempo modificado en algunos casos. Se consiguió una mejora de la deformación debida al proceso térmico optimizando la temperatura de curado y ajustando la composición.

Se pudieron producir soportes de cableado de biopolímeros con buenas estructuras conductoras y montables utilizando la tecnología típica de placa de circuito impreso. En función de la composición del soporte de PLA, se ajustaron los parámetros para laminar las láminas de Cu. Se consiguió una buena unión sin una capa adhesiva adicional debido a la fundibilidad del soporte de PLA a temperaturas elevadas. La calidad de la laminación determina en gran medida los resultados de la estructuración posterior. Los procesos de fotolitografía, grabado y decapado son compatibles con los nuevos materiales en condiciones de laboratorio. También se lograron anchuras de conductor del orden de 200 μm. También se investigaron opciones de metalizado de agujeros pasantes, incluida la tecnología de agujeros negros. Esto también abrió el uso de la galvanoplastia para placas de circuito impreso de doble cara basadas en biopolímeros.

Se utilizaron soldaduras de baja fusión, como SnBiAg, para investigar la capacidad de montaje SMD, teniendo en cuenta la limitada estabilidad térmica de los materiales portadores. En comparación directa con los ensamblajes sobre sustratos FR4, las variantes de ensamblaje PLA sólo produjeron resultados ligeramente inferiores en las pruebas de cizallamiento de los SMD ensamblados.

En general, se puede estimar que los conjuntos electrónicos funcionales basados en biopolímeros pueden realizarse en condiciones de laboratorio y que los sustratos de biopolímeros como portadores de cableado en conjuntos electrónicos son, en general, adecuados para conceptos sostenibles. La introducción de aditivos en los compuestos de PLA ofrece un gran potencial innovador de adaptación y optimización. Aunque la mayor estabilidad térmica resultante ofrece mejores condiciones de uso y ensamblaje, no se han podido alcanzar resultados comparables a los del FR4. Las investigaciones previas en condiciones de laboratorio también deberían ampliarse y corroborarse para su viabilidad práctica en proyectos de seguimiento.

Modificación de nuevos biopolímeros para aplicaciones de sensores

A Daniel Firzlaff y Henry Kettwig se les encargó el desarrollo de materiales para capas sensoras de base biológica y biodegradables como parte del proyecto de investigadores noveles. La película polimérica utilizada consiste principalmente en gelatina. Se utilizaron varios aditivos para que las películas fueran conductoras y más duraderas. Para estas pruebas se seleccionaron biopolímeros que cubrieran la gama más amplia posible de aplicaciones en función de las propiedades fisicoquímicas comprobadas y que contuvieran aditivos de origen biológico, biodegradables o naturales (plastificantes, reticulantes, aditivos conductores). Se fabricaron muestras mediante moldeo y se comprobó la composición y su influencia en las propiedades del material. A partir de ahí, se realizaron muestras definidas (tamaño: 30 x 50 mm) con grosores de capa de unos 0,2 mm con diversas estructuras de medición mediante procesos de rasqueta y revestimiento por rotación. También se desarrollaron estructuras tridimensionales. El contacto eléctrico se realizó mediante laca de plata con contactos prensados.

Se procesaron diversas tareas, como la caracterización eléctrica (conductividad y propiedades capacitivas), la caracterización de las propiedades sensoriales en relación con variables físicas como la temperatura, la humedad o la elongación, así como la realización de mediciones reproducibles en condiciones climáticas constantes, y se montaron puestos de medición. Los resultados se visualizaron mediante demostradores. En función de los aditivos utilizados, el plástico biocompatible muestra un mayor efecto sensorial en relación con la humedad que con la temperatura. Si se tiene en cuenta la impedancia, el cambio es de aproximadamente 55 kOhm con un cambio en la humedad absoluta de 5,5 g/m³ a 15,6 g/m³. El plástico biocompatible representa un buen punto de partida para ulteriores desarrollos sensoriales, para los que luego deberá diseñarse específicamente.

Procesos de unión con nuevos biopolímeros

Philipp Zink investigó nuevas tecnologías de unión para poder producir de forma económica compuestos de PLA-aluminio altamente resistentes. El objetivo era ampliar el campo de aplicación del PLA, que hasta la fecha se utilizaba principalmente como plástico de embalaje, por ejemplo como material de construcción para electrodomésticos, artículos electrónicos o elementos decorativos para la industria automovilística. Como en estos ámbitos suelen utilizarse compuestos mixtos -plástico-metal-, el PLA y los dos plásticos de referencia PET y PP se unieron con aluminio mediante diversos procesos. Para aumentar la adherencia, la superficie de aluminio se sometió a diversos procesos de pretratamiento, como limpieza simple, chorro de arena o estructuración por láser. Además del proceso de unión, el estándar actual de la industria, se utilizaron procesos de unión innovadores, como la unión por ultrasonidos y los procesos de unión térmica directa mediante inducción y láser.

Las pruebas demostraron que el PLA y el PET pueden unirse de forma excelente utilizando la unión por ultrasonidos y la unión térmica directa (calentamiento por inducción o láser). Con un pretratamiento adecuado de la superficie, se pueden conseguir unas resistencias de unión elevadas que superan con creces las de las uniones adhesivas. Debido a la amplia gama de procesos y plásticos que se investigaron en las mismas condiciones, ahora es posible por primera vez comparar directamente las capacidades de carga de las uniones mixtas de PLA y otros plásticos con metal para cuatro procesos de unión importantes desde el punto de vista industrial. El origen biológico del PLA no es una desventaja en estas tecnologías de unión. Los tiempos de proceso extremadamente cortos permiten una manipulación rápida y, por tanto, una productividad muy buena. Al prescindir de materiales y productos químicos adicionales, también se consigue una mayor sostenibilidad y compatibilidad medioambiental.

¿Reciclaje o compostaje?

Pruebas de biodegradabilidad de soportes de PLA con estructuras conductoras de Cu antes y después de una etapa de compostajeParaevaluar los efectos ecotoxicológicos de los plásticos a base de gelatina y ácido poliláctico desarrollados en el proyecto, Richard Zeumer realizó estudios de exposición aguda con organismos acuáticos y terrestres para poder trazar las distintas vías de los plásticos en la naturaleza. Tanto los plásticos lixiviados como los aditivos contenidos en los plásticos se evaluaron en estudios agudos con la pulga de agua grande (Daphnia magna) y en estudios de germinación con berro de jardín (Lepidium sativum) de acuerdo con las directrices de la OCDE y la ISTA. También se determinó la compostabilidad, descomposición y biodegradabilidad de los materiales plásticos compostándolos durante 60 días de acuerdo con la directriz DIN EN ISO 20200 y analizando su biodegradabilidad en estudios con respirómetro. A continuación se comprobó la compatibilidad medioambiental de los compost resultantes en ensayos en contenedores con semillas de soja (Glycine max). Estos estudios revelaron una alta compatibilidad medioambiental de los materiales desarrollados y bajos efectos tóxicos sobre los organismos analizados. En condiciones óptimas de compostaje, se observó una elevada tasa de descomposición (> 80%) en 60 días. No se pudo demostrar que los iones de cobre liberados durante las pruebas de compostaje influyeran en el crecimiento de las plantas. Sin embargo, todavía son necesarios más estudios para realizar una evaluación exhaustiva de los riesgos de los materiales ensayados con el fin de garantizar un uso sostenible y respetuoso con el medio ambiente de los plásticos de origen biológico.

Conclusiones al final del proyecto

Los investigadores de la HTW pudieron adquirir importantes conocimientos sobre el desarrollo de conceptos sostenibles en electrónica, que deben seguir desarrollándose en proyectos de seguimiento para su aplicación industrial en productos y tecnología de producción. El estatus alcanzado es un paso importante más hacia el desarrollo de los biopolímeros en la electrónica. Bajo determinadas condiciones de uso, en un futuro próximo será posible obtener productos que cumplan los requisitos de sostenibilidad para aplicaciones seleccionadas.

La experiencia adquirida con el proyecto bioESens demuestra que, en el campo de la electrónica, un avance decisivo en conceptos de productos sostenibles requiere la mayor profundidad posible de trabajo de desarrollo innovador y cooperación, subrayó la directora del proyecto, la profesora Kathrin Harre. Los resultados positivos obtenidos demuestran que, cuando se trata de los retos que plantean las soluciones innovadoras y sostenibles, una excelente cooperación interdisciplinaria entre el desarrollo de materiales, las distintas disciplinas de ingeniería para el procesamiento y la utilización conceptual específica de la aplicación hasta el reciclaje y la eliminación es un requisito previo para el éxito del trabajo. Los aspectos del material, el producto y el concepto de producción, así como las condiciones de aplicación, deben considerarse en una compleja y estrecha interacción.

El proyecto bioESens es también un buen ejemplo de cómo se está dando vida a la línea de perfil "Vida sostenible" en la enseñanza y la investigación en la HTW de Dresde en numerosos lugares, con muchos resultados interesantes.

Más información:

Grupo de trabajo sobre tecnología electrónica de Sajonia:
avt.et.tu-dresden.de/saet/arbeitskreis/

Proyecto BioESens:
htw-dresden.de/luc/forschung/nachwuchsforschergruppe-bioesens