3D打印技術(shù)能否破解稀土資源困局？

導(dǎo)讀：過去十年來，關(guān)于稀土危機(jī)的警告聲不絕于耳。如今隨著中國限制稀土出口，這場被預(yù)言無數(shù)次的危機(jī)終于成為現(xiàn)實(shí)。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，3D打印技術(shù)或許能夠發(fā)揮意想不到的作用，幫助緩解稀土供應(yīng)短缺帶來的沖擊。



稀土元素
稀土元素既不是土壤，也并不稀有。這組由17種化學(xué)性質(zhì)相似的金屬組成的元素族，在地球上分布廣泛且儲(chǔ)量豐富。它們之所以被稱為"稀土"，主要是因?yàn)樵缙诜诸惡妥R(shí)別困難。


△Meltio的線激光定向能量沉積（DED）技術(shù)

這些元素在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。釹可以制造超強(qiáng)磁鐵，鈧作為合金添加劑威力驚人，在3D打印領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于Scalmalloy和各種鋁合金中。鈰用于催化轉(zhuǎn)換器和不銹鋼生產(chǎn)，釔是激光器的關(guān)鍵材料，鈥應(yīng)用于導(dǎo)彈和核能領(lǐng)域，釤則是高端執(zhí)行器和醫(yī)療設(shè)備的重要組成部分。

從永磁材料、電池、風(fēng)力渦輪機(jī)到電動(dòng)汽車，從國防裝備到核能應(yīng)用，稀土元素堪稱通往未來的材料。無論是軍事沖突還是能源轉(zhuǎn)型，都將大量消耗這些關(guān)鍵資源。僅能源轉(zhuǎn)型一項(xiàng)，稀土需求量就將增長六倍。


△麻省理工學(xué)院的研究人員改進(jìn)了一臺(tái)多材料3D打印機(jī)，能夠?qū)盈B三種不同材料的超薄線圈，一步制作出三維螺線管。

中國壟斷下的環(huán)境代價(jià)
稀土之所以成為戰(zhàn)略焦點(diǎn)，關(guān)鍵在于中國控制了全球90%以上的產(chǎn)量。雖然這些元素分布廣泛，但開采和提煉過程極其復(fù)雜且環(huán)境破壞嚴(yán)重。稀土往往與鈾等放射性物質(zhì)伴生，需要挖掘大量土石才能獲得。

提煉過程更是觸目驚心，每生產(chǎn)一噸稀土，會(huì)產(chǎn)生13公斤粉塵、9600-12000立方米廢氣、75立方米廢水和一噸放射性殘留物�？傮w而言，每噸稀土的生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生2000噸有毒廢料。這些數(shù)字揭示了一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)：支撐現(xiàn)代高科技發(fā)展的關(guān)鍵材料，其生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境造成了巨大破壞。

中國數(shù)十年前就將稀土視為潛在的地緣政治杠桿，通過垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈，中國在電池、電機(jī)、風(fēng)能和高科技合金等領(lǐng)域建立了強(qiáng)大優(yōu)勢，這些產(chǎn)業(yè)在軍民兩用方面都具有重要價(jià)值。目前中國每年出口約7萬噸稀土，背后卻留下了超過1.4億噸有毒廢料。

3D打印技術(shù)的解困之道
面對(duì)稀土供應(yīng)危機(jī)，3D打印技術(shù)提供了多條突圍路徑：


△3D打印電機(jī)發(fā)夾式繞組

●材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：通過3D打印技術(shù)優(yōu)化稀土材料的使用結(jié)構(gòu)，可以用更少的材料實(shí)現(xiàn)同樣的功能。同時(shí)，通過改變低性能材料的幾何形狀和微觀結(jié)構(gòu)，使其性能接近甚至達(dá)到稀土材料的水平。

●磁性材料直接制造：3D打印永磁體是最具商業(yè)前景的應(yīng)用方向之一。研究人員正在探索材料回收制造磁體的技術(shù)路徑，維也納工業(yè)大學(xué)開發(fā)的粘結(jié)絲材磁體以及基于光固化技術(shù)的磁體制造都顯示出巨大潛力，通過微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，可以制造出性能更優(yōu)的磁性組件。

●新型合金快速開發(fā)：利用增材制造技術(shù)可以快速開發(fā)不含稀土的新型合金。Metalysis等技術(shù)能夠跳過傳統(tǒng)步驟，在本地生產(chǎn)高端合金。6K、Metal Powder Works、Continuum Powders等公司正在將廢舊飛機(jī)等回收材料轉(zhuǎn)化為不含稀土的3D打印粉末。

●高性能替代材料：3D打印技術(shù)能夠制造PAEK等高性能聚合物組件和復(fù)合材料組件，替代傳統(tǒng)金屬部件。這不僅減少了稀土需求，還能通過輕量化設(shè)計(jì)提升整體性能。

未來發(fā)展方向
3D打印行業(yè)在稀土替代方面面臨著多個(gè)商業(yè)機(jī)遇。最具吸引力的是開發(fā)直接的永磁體生產(chǎn)技術(shù)，無論是金屬基還是聚合物基磁體，通過拓?fù)鋬?yōu)化現(xiàn)有磁體和改變微觀結(jié)構(gòu)來提升磁體性能的新工藝也具有全球影響潛力。粘結(jié)絲材磁體可能成為磁體生產(chǎn)的低成本路徑。更好的電池和電機(jī)技術(shù)始終具有商業(yè)價(jià)值。高效的磁體回收技術(shù)也將受到高度關(guān)注。

南極熊點(diǎn)評(píng)
稀土危機(jī)不僅是供應(yīng)鏈問題，更是環(huán)境和地緣政治挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)通過材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、新材料開發(fā)和高效回收等多個(gè)維度，為緩解稀土依賴提供了可行路徑。雖然完全替代稀土還需要時(shí)間，但增材制造技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出巨大潛力，有望在關(guān)鍵材料供應(yīng)安全和環(huán)境保護(hù)之間找到平衡點(diǎn)。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的深入，3D打印將在構(gòu)建更加可持續(xù)和安全的材料供應(yīng)體系中發(fā)揮越來越重要的作用。