Sustainable ELECTronics Assembly Utilizing Plastic Waste
Projekt aplikovaného výzkumu řešený v období 04/2024-06/2026
Cílem projektu je návrh, realizace a testování nového způsobu výroby desek plošných spojů (DPS) osazených součástkami a tvořící funkční celek (elektronický obvod) s využitím odpadního plastu, který bude tvořit alespoň 50 % hmotnosti základního substrátu. Ten bude vyráběn pomocí technologie 3D tisku z polymerního vlákna (filamentu), splňujícího požadavky pro použití v elektronice z hlediska materiálových vlastností a hořlavosti. Jeho vývoj je dílčím cílem projektu. Proběhne analýza tohoto materiálu a optimalizace jeho složení; dále testování a optimalizace postupu výroby vícevrstvé DPS využívající zapouzdření součástek. Tento alternativní postup bude šetrný k životnímu prostředí, bude významně redukovat toxické látky využívané v konvenční výrobě a výrobky budou opětovně recyklovatelné.
Plánovanými výsledky projektu jsou funkční vzorek nehořlavé tiskové struny z recyklovaných materiálů, užitný vzor nehořlavé tiskové struny z recyklovaných materiálů, souhrnná výzkumná zpráva shrnující výsledky výzkumu a vývoje alternativního technologického postupu výroby desek plošných spojů a recenzovaný odborný článek popisující hlavní výsledky projektu.
Řešitel projektu: Ing. Petr Veselý, Ph.D.
Další řešitel: Ing. Alena Kadeřábková, Ph.D. (Vysoká škola chemicko-technologická, Fakulta chemické Ústav polymerů)
Kód projektu: SS07020107
Poskytovatel: Technologická agentura České Republiky
Programová výzva: Prostředí pro život, 7. VS
Popis projektu na portálu STARFOS: https://starfos.tacr.cz/projekty/SS07020107
Tento projekt je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu Prostředí pro život. Tento projekt je financován v rámci Národního plánu obnovy z evropského Nástroje pro oživení a odolnost.
VÝSLEDKY PROJEKTU
Samozhášivá struna pro 3D tisk na bázi PVC/PVAc
V rámci projektu byl vyvinut a vyroben termoplastický filament na bázi homopolymeru polyvinyl chloridu (PVC) a kopolymeru vinyl chloridu s vinylacetátem (PVC/PVAc). Tento materiál se běžně využívá pro výrobu gramofonových desek, pro výrobu filamentu byla využita odpadní drť z této výroby v rámci výrobního závodu GZ Media, který je jedním z největších na světě. Výhodou tohoto filamentu je jeho přirozená samozhášivá schopnost, která vyplývá z jeho chemického složení. Tato vlastnost je klíčová pro seriózní využití v oblasti elektrotechniky. U tohoto materiálu není tedy potřeba přídavek retardérů hoření, které by mohly, mimo jiné, naopak zhoršovat jeho mechanické vlastnosti. V rámci projektu probíhá výroba filamentu na pracovišti Ústavu polymerů, VŠCHT Praha pomocí vytlačovacích strojů ve dvou krocích – dvoušnekový stroj je využit k míchání odpadní drti a tvorbě granulátu, který slouží jako vstupní surovina pro vytlačování filamentu pomocí jednošnekového stroje.
Bylo ověřeno, že takto vyrobený filament je možné využít v běžných desktopových tiskárnách založených na FDM technologii (Fused Depositing Modeling). V rámci projektu probíhalo testování na komerčních tiskárnách Prusa MK4 a Bambulab X1E. Z filamentu je možné tisknout i složitější struktury, které vyžadují náročnější tiskový proces zahrnující různé rychlosti tisku, přejezdy extruzní hlavy, retrakce filamentu, tisk přemostění atp. Podle složení vstupní drti (může být s výhodou využita různobarevná, která se již nedá dále recyklovat přímo v rámci výroby gramofonových desek) se mění barva filamentu od tmavě zelené (khaki) po černou.
Vlastnosti 3D tištěných těles z vyrobeného filamentu
V následující tabulce jsou shrnuty nejdůležitější materiálové vlastnosti, které byly zjištěny u zkušebních těles vytištěných z vyrobeného filamentu na bázu PVC/PVAc. Protože v rámci projektu slouží materiál primárně jako náhrada substrátu pro desky plošných spojů, v tabulce jsou také uvedeny materiálové vlastnosti nejběžnějšího komerčního substrátu pro DPS s označením FR4.
| PVC/PVAc | FR4 | |
| Teplota skelného přechodu (°C) | 72 | 130-180 |
| Mechanická pevnost v tahu (MPa) | 46-55 | 63 |
| Youngův modul pružnosti (GPa) | 0,2-0,6 | 22 |
| Objemová rezistivita (MOhm.cm) | 4.10^10 | 2.10^9 |
| Povrchová rezistivita (MOhm) | 1.10^9 | 4.10^6 |
| Relativní permitivita při 1 MHz (-) | 2,7 | 4,7 |
| Ztrátový činitel při 1 MHz (-) | 0,04 | 0,014 |
| Elektrická pevnost (kV/mm) | 22 | 40 |
| Kategorie samozhášivosti dle UL94 | V-0 | V-0 |
Vytvořená samozhášivá struna pro 3D tisk může být využita pro různé aplikace v elektrotechnice, například pro výrobu různých izolačních krytů (šasi) elektrotechnických a elektronických zařízení, kde je díky 3D tisku možné dosáhnout nestandardních tvarů či přizpůsobit návrh modelu potřebám zákazníka bez nutnosti měnit vstřikolisovou formu; pro konstrukční izolační prvky a komponenty, například distanční podložky, průchodky; dále pak pro tištěnou elektroniku a funkční elektronické celky, kde je struna využita pro tisk izolačního nosného substrátu pro zapouzdření (mechanickou fixaci) elektronických součástek a následný potisk elektricky vodivou suspenzí (inkoustem) tlustovrstvými technologiemi pro vytvoření příslušného funkčního elektrického obvodu. Ve spojení s výrobou struny z odpadního materiálu se pak jedná o ekologicky šetrnou alternativu ke konvenční výrobě desek plošných spojů. Díky přirozené samozhášivé schopnosti materiálu a absenci aditiv ve formě retardérů hoření nedochází, narozdíl od komerčně dostupných filamentů s totožnou kategorií samozhášivosti V-0, ke zhoršení mechanických vlastností. Na následujícím grafu je vidět porovnání mechanické pevnosti v tahu s komerčně dostupnými alternativami (zkratka FR značí flame retardant – u filamentů se samozhášivou schopností).
