Экологичные смартфоны из термопласта, армированного углеродным волокном

Конструкция “монокок” от компании Carbon Mobile исключает раздельный корпус, крышку и раму, лучше защищает электронику и упрощает разборку.

Когда вы впервые берете в руки смартфон Carbon I MK II (Mark Two) от компании Carbon Mobile GmbH (Берлин, Германия), сразу бросаются в глаза три вещи: он очень легкий (125 г против 182 г для среднего смартфона), он очень тонкий (6,3 мм против 8,3 мм для среднего смартфона), а задняя панель выполнена из композита, армированного углеродным волокном с видимой оплеткой. Почему инженер-компьютерщик, ставший предпринимателем, внедрил инновационную технологию новых композиционных материалов в мобильные телефоны?

“Мы хотели что-то осязаемое, чтобы вы действительно могли бы увидеть и почувствовать разницу, как только взяли это в руки”, — вспоминает Фирас Халифе, основатель и генеральный директор компании Carbon Mobile. “Кроме того, с технической точки зрения смартфон является одним из самых сложных потребительских продуктов, когда-либо созданных. Он отличается высокой плотностью компонентов и датчиков, проектируется с учетом чрезвычайно жестких допусков и должен быть максимально надежным, выдерживать многочасовое ежедневное использование в различных условиях, но при этом прослужить долгие годы. Мы решили, что если сможем создать принципиально новый смартфон, то сможем делать практически все — будь то планшеты, AR [дополненная реальность], VR [виртуальная реальность], часы или наушники”.

Достижения Carbon Mobile заключаются не только в выпуске смартфона с корпусом из термопласта, армированного углеродным волокном (CFRTP), с операционной системой Android, которая устанавливает новые стандарты легкости и тонкости. С помощью этого телефона компания достигла нескольких важных результатов: она решила давнюю проблему блокирования радиочастотных сигналов углеродным волокном; она также разработала решение для изотропного заземления и электростатического разряда и впервые разработала методы, позволяющие сделать смартфоны более экологичными и удобными для пользователей.

Более умный телефон следующего поколения

Новый смартфон, выпущенный в прошлом году стартап-компанией Carbon Mobile GmbH, имеет самый легкий и тонкий корпус благодаря композиту CFRTP, который лучше защищает электронику, одновременно облегчая ремонт и переработку устройства по сравнению с устаревшими моделями. Другие значимые инновации включают преодоление проблемы блокирования углеродным волокном радиочастотных сигналов, решения для изотропного заземления и электростатического разряда, а также разработка устройства, снижающего воздействие на окружающую среду. Все изображения предоставлены компанией Carbon Mobile GmbH

Материалы с высокими эксплуатационными характеристиками для высокопроизводительного приложения

Халифе работал в стартап-компаниях, занимаясь программным обеспечением, когда его увлекло пересечение аппаратного обеспечения, искусства, медиа и программного обеспечения. В то время он создавал прототипы, строил виртуальные торговые центры и работал над такими потребительскими товарами, как умные холодильники, а также оценивал реакцию потребителей. Однако, чего он страстно желал, так это создать смартфон, меняющий правила игры, который полностью отличался бы от всего, что было представлено на рынке. По словам Халифе, вдохновением для этой разработки послужили гоночные автомобили Формулы-1 и космонавтика; его целью было создать высокопроизводительное приложение (HPA) с использованием материалов с высокими эксплуатационными характеристиками (HPM), что, по его мнению, означало использование композитов, армированных углеродным волокном. Вместо того, чтобы начать с существующего смартфона и изготовить для него композитный корпус, команда вернулась к тому, чтобы “обдумать основные принципы, переосмыслить, как проектируются и создаются смартфоны, а затем бросить вызов друг другу и «нарушить правила».

“За последние восемь лет смартфоны стали товаром широкого потребления, поэтому их дизайн действительно застопорился — они даже больше не миниатюризируются”, — объясняет Халифе. “Как следствие, все они выглядят и работают одинаково, используются одни и те же материалы. Кроме того, возникает огромная проблема электронных отходов. Мы подумали, что, возможно, могли бы что-то с этим сделать”.

Thickness: 6.3 mm — Толщина: 6,3 мм

Length: 153.5 mm — Длина: 153,5 мм

Compression molded carbon fi berreinforced TPU back with visible weave — Задняя часть изготовлена методом прессования в форме из термопластичного полиуретана, армированного углеродным волокном с видимой оплёткой

All functional components mounted to back, facilitating disassembly and reuse/recycling — Все функциональные компоненты монтируются на задней панели, что облегчает разборку и повторное использование/переработку

Backinjected glassreinforced PA6 sides — Боковые части изготовлены методом литья под давлением из ПА6, армированного стекловолокном

Результаты проектирования

Смартфон Carbon I MK II

  • Благодаря прочности и жесткости термопласта, армированного углеродным волокном, нет необходимости в отдельной раме и крышке.
  • Все функциональные компоненты установлены в корпус из термопласта, армированного углеродным волокном, что облегчает разборку и переработку.
  • Запатентованная технология устраняет проблему блокирования радиосигналов углеродным волокном, но при этом обеспечивает заземление и рассеивание статического электричества.

Иллюстрация Сьюзан Краус

Монококовая конструкция

Прочность и жесткость CFRTP сочетаются с продуманным дизайном: все функциональные компоненты установлены в монококе/корпусе (на задней стороне смартфона), передняя панель закрыта приклеенным к ней химически упрочненным стеклянным экраном. Это позволяет компании отказаться как от внутреннего металлического каркаса, так и от внешней пластиковой крышки, стандартной для таких устройств, а также уменьшить массу, занимаемое пространство и материалы, используемые в конечном продукте, не говоря уже о дополнительном защитном чехле, который часто приобретают потребители. Такая архитектура также значительно упрощает разборку и утилизацию телефонов с истекшим сроком службы (EOL) и их компонентов. CFRTP не только обеспечивает внешнюю эстетику и образует защитную структурную оболочку устройства, но и выполняет функцию изотропной заземляющей пластины и рассеивает тепло — важнейшие свойства для правильного функционирования устройства (подробнее в разделе “Радиопрозрачность”).

“Менее чем за пять лет, вложив менее 2 миллионов долларов, мы создали то, что считалось невозможным”, — отмечает Джейми Клюс, директор по маркетингу в компании Carbon Mobile.

Целостная конструкция из термопласта, армированного углеродным волокном

Компания Carbon Mobile задалась целью разработать смартфон, меняющий правила игры, который полностью отличался бы от всего, что было представлено на рынке, в том числе с использованием композитов, армированных углеродным волокном, и черпая вдохновение в дизайне гоночных автомобилей Формулы-1 и космонавтике.

Последние изменения

Неудивительно, что, учитывая инновационность, ключевым аспектом разработки телефона был поиск подходящих материалов и процесса для его производства. Сначала компания работала с препрегом из эпоксидной смолы/ углеродного волокна. Первой задачей было найти необходимые электрические и радиочастотные данные о материалах, что привело к дополнительным испытаниям командой специалистов Carbon Mobile. Однако самая большая проблема возникла, когда они приступили к запуску своего первого продукта в начале 2020 года.

“Термореактивные композиты чуть не уничтожили нашу компанию в критический момент, когда мы приближались к коммерциализации”, — добавляет Халифе. “Это было в начале пандемии со всеми ее локдаунами и последующими проблемами в цепочке поставок. Мы просто не могли получить материал. И хотя мы знали, что в конечном итоге перейдем от термореактивных материалов для матрицы к термопластам, пандемия дала нам время переосмыслить наш выбор».

В этот момент команда начала поиск поставщиков материалов CFRTP, применяемых в автомобильной промышленности, и нашла свой путь в компанию Lanxess AG (Кельн, Германия). Вскоре для задней поверхности корпуса был разработан органолист из термопластичного полиуретана, армированного непрерывным волокном Tepex, (состоящий из слоев углеродной ткани саржевого переплетения из 3/3/1 тысяч волокон). Это прессованное изделие, затем отдельно отформованное под давлением с использованием соединения из коротких волокон/полиамида 6 (ПА6), которое формирует боковые части, к которым приклеивается стеклянная поверхность, и добавляет дополнительную геометрию для установки антенн, которые являются частью подхода Carbon Mobile к радиосвязи. Для облегчения сборки отлита дополнительная металлическая фурнитура.

“Нам сразу понравилась простота обработки и потенциальная возможность вторичной переработки термопластов”, — продолжает Халифе. “Мы также поняли, что эти материалы не только обладают более высокой ударной вязкостью для защиты наших телефонов, но и значительно облегчают нам контроль качества и поддержание высокого уровня исполнения, помогая избежать несоответствий, которые мы наблюдали с термореактивными материалами”. Он добавляет, что на изготовление каждого корпуса ушло три часа с использованием первоначально указанного сочетания термореактивного материала и процесса. Сейчас время цикла для термопласта Carbon Mobile составляет три минуты; компания нацелена на одноминутный цикл за счет повышения автоматизации и гибридного процесса формования (прямое прессование/впрыск) вместо текущего двухстадийного процесса с двумя машинами. “Наша прежняя технология формования не была масштабируемой по мере роста нашей компании, а с новой технологией, которую мы разработали, мы сможем производить корпусы быстрее при меньших затратах”, — прогнозирует Клюс. Формование производится в Юго-Восточной Азии, но сборка выполняется в Германии.

Более тонкие, прочные и экологичные устройства

Оказалось, значительно дороже заказать одну форму для изготовления как геометрически простой задней панели, так и геометрически сложной боковой детали, чем изготовить две отдельные формы. Другая проблема заключалась в том, что для поддержания равномерной толщины в 6,3 мм по всему устройству команда не могла переформовать задние панели с боковыми панелями, поскольку это создало бы выступ, превышающий заданную толщину, и затруднило бы установку фронтального стекла. Это привело к решению выполнить заготовки из органолистов, а затем снова литье под давлением с использованием короткого стекловолокна/ПА6. Для следующего поколения телефонов компания Carbon Mobile работает над созданием еще более тонких поперечных сечений, применяя гибридный процесс формования, который также будет более быстрым.

Радиопрозрачность

С технической точки зрения, возможно, самым инновационным аспектом смартфонов Carbon Mobile является то, что компания нашла способ использовать композитный корпус из углеродного волокна, который не блокирует радиочастотные сигналы, но обеспечивает электрическое заземление и рассеивание статического электричества. Эту запатентованную технологию назвали HyRECM, что расшифровывается как “технология гибридных радиодоступных композиционных материалов”.

Во-первых, антенна создается с использованием модулей прямого лазерного структурирования (LDS), которые располагаются сверху и снизу телефона под слоем стекловолокна/ПА6, который сам по себе радиопрозрачен. Во-вторых, в основном корпусе устройства используются проводящие чернила, выборочно нанесенные на внутреннюю поверхность композитной оболочки из углеродного волокна.  Проводящие чернила изменяют анизотропную электропроводность углеродного волокна (только в направлении волокна) на изотропную (по всем трем осям), что приводит к соединению печатных плат, антенн, корпуса из углеродного композита и даже металлической фурнитуры в единую изотропную заземляющую пластину и решает проблему с электростатическим разрядом.

“Многие люди пытались и потерпели неудачу в решении проблемы блокирования сигналов углеродным волокном, но они зашли недостаточно далеко”, — размышляет Халифе. “Это было одно из первых технических препятствий, которые мы намеревались решить, потому что мы знали, что это будет иметь решающее значение для достижения остальных наших целей. После четырех лет исследований мы совершили невозможное и нашли способ масштабного использования углеродного волокна в «радиодоступных» композитах. Результатом стала невероятная возможность для следующего поколения ультратонких, легких и экологичных устройств”.

Запатентованная технология HyRECM

Поиск способа, позволяющего использовать композитный корпус из углеродного волокна, который не блокирует радиочастотные сигналы, но при этом обеспечивает заземление и рассеивание статического электричества, был главным достижением компании Carbon Mobile. Эту запатентованную технологию назвали HyRECM, что расшифровывается как «технология гибридных радиодоступных композиционных материалов».

Более экологичный, чистый, готовый к изготовлению

Компания Carbon Mobile уделяет значительное внимание снижению воздействия на окружающую среду и участию в экономике замкнутого цикла. Упаковка для телефонов изготовлена из картона для легкой переработки, в партнерстве с Cloverly (Атланта, штат Джорджия, США) высаживаются деревья, чтобы компенсировать выбросы углекислого газа при транспортировке, а партнерство с Cleanhub (Берлин, Германия) компенсирует использование полимера путем удаления 500 г океанического пластика.  В рамках программы утилизации Carbon Next клиенты, возвращающие свое устройство и покупающие новую модель в 2022 году, также получают скидку в размере 400 евро, и, как член организации Leaders for Climate Action, компания Carbon Mobile взяла на себя обязательство сделать свое производство углеродно-нейтральным к 2025 году. Чтобы сократить электронные отходы, возвращенные телефоны разбирают, функциональные компоненты используют повторно, а корпус из CFRTP перерабатывается. Помимо взаимодействия с потребителями, команда сосредоточена на оказании помощи в снижении воздействия на окружающую среду во всей электронной промышленности.

“Наша конечная цель — экологическая безопасность в гораздо более широком контексте”, — объясняет Халифе. “Используя композиты для снижения расхода материалов и упрощения разборки телефонов с истекшим сроком службы для утилизации компонентов, мы можем помочь сократить количество электронных отходов на 59 метрических тонн в год. Добавьте к этому телефоны с более длительным сроком службы и более ценные материалы, извлекаемые при вторичной переработке, и вы получите меньше энергетических затрат и меньший углеродный след для наших устройств”.

В течение 2022 года основным направлением деятельности компании Carbon Mobile будет оказание помощи другим производителям устройств и электромобилей, которые желают лицензировать технологию HyRECM. Халифе рассматривает это как катализатор для реализации своих более масштабных амбиций: “Мы не можем изменить технологическую индустрию в одиночку”, — говорит он. “Независимо от того, идет ли речь о сотрудничестве с другими производителями над их смартфонами или об инновациях в области носимых устройств, у нашей технологии HyRECM есть безграничные возможности для продвижения миниатюрных и экологичных технологий завтрашнего дня”.

Компания также планирует представить модель MK III (Mark Three), в которой будет использоваться полимер на биологической основе — рассматриваются полимолочная кислота и полиамид 11 (ПА11), а также переработанное углеродное волокно. Команда также изучает возможность использования графена в матрице для улучшения тепловыделения по оси Z.

Carbon Mobile уже имеет глобальную клиентскую базу и в прошлом году получила две престижные премии, в том числе премию RedDot Design Award и премию JEC Composites Connect-Innovation Award. Чем команда больше всего гордится за год работы в производстве? “Мы решили множество технических проблем, что казалось невозможным, и, несмотря на задержки из-за COVID, нехватку цепочек поставок, скромные бюджеты, позднюю замену материалов и технологических процессов и десятки других проблем, мы объединили высококачественную немецкую инженерию с передовыми инновационными материалами, которые откроют будущее мобильных устройств”, — предсказывает Халифе.

“И когда вы объединяете это с самым легким, тонким и красивым телефоном в отрасли, а также с более опытными потребителями, искренне ищущими решения, которые минимизируют воздействие на планету, мы получаем выигрышное ценностное предложение”, — заключает Клюс.

Смотреть видео: Carbon Mobile представляет Carbon I MK II

Пегги Малнати освещает темы транспорта и инфраструктуры для журнала CW, а также предоставляет коммуникационные услуги для клиентов отрасли производства пластмасс и композиционных материалов. peggy@compositesworld.com

Carbon Mobile

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Композиционные химические никелевые покрытия для применения в ветроэнергетике
Композиционные химические никелевые покрытия для применения в ветроэнергетике
Способность композиционных химических никелевых покрытий взаимодействовать с разнообразными частицами делает их крайне полезными для применения…
Майкл Фелдштейн
17.05.2021
273
Натуральные волокна в основе электрических фургонов для доставки посылок
Натуральные волокна в основе электрических фургонов для доставки посылок
Новый проект транспортного средства для доставки посылок предполагает использование препрегов из натурального волокна для обеспечения…
Элизабет Х. Лоу
16.06.2021
159
Любопытная связь между акулой и автомобилем Формулы-1
Любопытная связь между акулой и автомобилем Формулы-1
Поработав в мире Формулы-1, художник Аластар Гибсон начал создавать скульптуры морских обитателей из углеродного волокна…
25.10.2022
50
Аппретирование волокна, плющение жгута и улучшение инкапсуляции
Аппретирование волокна, плющение жгута и улучшение инкапсуляции
Аппретирование волокна часто упускается из виду производителями композиционных материалов, но это крайне важный этап для…
Джефф Слоан
29.06.2021
284
Модернизация беговых кроссовок
Модернизация беговых кроссовок
Термопластичные композиционные материалы, армированные непрерывным волокном, в компонентах высококачественной спортивной обуви.
Скотт Фрэнсис
26.01.2021
315
Углепластиковый кокон Carbon Cage в линейке автомобилей iX 2022 года
Углепластиковый кокон Carbon Cage в линейке автомобилей iX 2022 года
В своем новом спортивном электромобиле на аккумуляторных источниках питания iX компания BMW использует конструкции из…
Ханна Мейсон
25.01.2022
419
Пресс для производства баллистических бронепластин
Пресс для производства баллистических бронепластин
В компании Wickert отмечают возрастающий интерес к прессам, используемым для производства композитной брони для гражданской…
31.08.2022
104
Инвестиции в квалификационную программу для препрега Toray
Инвестиции в квалификационную программу для препрега Toray
Крупнейший в мире поставщик аэрокосмической промышленности воспользовался возможностью разработать собственные спецификации для препрега из углеродного…
Джефф Слоан
29.06.2021
245
Распорки из гибридных композиционных материалов снижают вес и улучшают управляемость автомобилей
Распорки из гибридных композиционных материалов снижают вес и улучшают управляемость автомобилей
Элементы жесткости днища кузова из пултрузионных углеродных / стекловолокнистых композиционных материалов теперь и в автомобилях…
Пегги Малнати
16.03.2021
252