2025年6月16日,南極熊獲悉,有外國專家寫了一篇角度獨特的文章內(nèi)容,《或可通過3D打印技術(shù)破解稀土資源困局》?雖然不一定靠譜。但是也為3D打印行業(yè)帶來一些新的思路。
過去十年來,關(guān)于稀土危機的警告聲不絕于耳。如今隨著中國限制稀土出口,對于國外來說,這場被預(yù)言無數(shù)次的危機終于成為現(xiàn)實。在這個關(guān)鍵時刻,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。
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2025-6-15 23:06 上傳
稀土元素
稀土元素既不是土壤,也并不稀有。這組由17種化學性質(zhì)相似的金屬組成的元素族,在地球上分布廣泛且儲量豐富。它們之所以被稱為"稀土",主要是因為早期分類和識別困難。
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△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、風力渦輪機到電動汽車,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,稀土需求量就將增長六倍。
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△麻省理工學院的研究人員改進了一臺多材料3D打印機,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。
中國提煉生產(chǎn)稀土的環(huán)境代價
稀土之所以成為戰(zhàn)略焦點,關(guān)鍵在于中國產(chǎn)量占據(jù)全球90%以上。雖然這些元素分布廣泛,但開采和提煉過程極其復雜且環(huán)境破壞嚴重。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)會產(chǎn)生2000噸有毒廢料。這些數(shù)字揭示了一個殘酷的現(xiàn)實:支撐現(xiàn)代高科技發(fā)展的關(guān)鍵材料,其生產(chǎn)過程對環(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、風能和高科技合金等領(lǐng)域建立了強大優(yōu)勢,這些產(chǎn)業(yè)在軍民兩用方面都具有重要價值。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
面對稀土供應(yīng)危機,3D打印技術(shù)提供了多條突圍路徑:
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△3D打印電機發(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現(xiàn)同樣的功能。同時,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)化和拓撲優(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商業(yè)機遇。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,通過拓撲優(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。更好的電池和電機技術(shù)始終具有商業(yè)價值。高效的磁體回收技術(shù)也將受到高度關(guān)注。
南極熊點評
稀土危機不僅是供應(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)境保護之間找到平衡點。隨著技術(shù)不斷進步和產(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。
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