從空氣提取飲用水的人類命題！拆解MOF的3D打印技術路徑與商業邏輯

AM易道深度分享

AM易道今天要跟大家聊的這個項目，表面上看是兩個德國學生的畢業設計，但它觸碰到的技術命題，可能會影響整個增材制造行業的應用方向。

來自德國明斯特應用技術大學的Louisa Graupe和Julika Schwarz帶來了一個叫Water from Air的3D打印原型設備。

這個看起來像水壺的玩意兒，號稱每天能從空氣中打印出1.6加侖（約6升）的飲用水。

更關鍵的是，她們說設備的主體結構完全是3D打印的，而且內置的金屬有機框架材料（MOFs）還能同時去除污染物。

在AM易道看來，這個項目真正的價值不在于產品本身能否立刻量產，而在于它為我們這個行業拋出了一個極具價值的問題：

我們如何將實驗室里能夠在10%濕度下就能吸水的神奇MOFs粉末，通過增材制造這個靈活的工具，轉化成解決人類實際問題的硬件？

MOFs：為什么是大氣取水的理想材料

先說說MOFs為什么這么厲害。

金屬有機框架是一類孔隙率極高、比表面積可達7000平方米每克的多孔晶體材料。

打個比方，一克MOF材料展開后的表面積相當于一個足球場。

但真正讓MOFs成為大氣取水明星的，是它們獨特的S型吸附曲線。

傳統的硅膠需要較高濕度才能吸水，沸石雖然在低濕度下也能工作，但要150°C以上才能把水放出來，能耗太高。

MOF-801這樣的材料只需要在環境溫度（25°C）和輕微加熱（45-65°C）之間切換，就能完成一次完整的吸附-解吸循環。

這意味著什么？意味著你可以用太陽能這種低品位熱源來驅動整個系統。

2017年，Yaghi團隊首次展示了使用MOF-801的大氣取水設備，在20%相對濕度下實現了每公斤MOF每天0.24升的產水量。

而現在，最新的Ni2Cl2(BTDD)材料已經可以實現每天3.5升每公斤MOF的產水量，性能提升了14倍。

3D打印在這里解決了什么問題？

MOFs材料通常是粉末狀的。

你要把它做成某種層狀的床來使用，但如果床層太厚，空氣很難快速滲透；

加熱解吸時，熱量也很難均勻傳遞。這就是傳熱傳質的瓶頸。

3D打印恰好能解決這個問題。

通過增材制造，特別是光固化或選擇性激光燒結等高精度技術，可以制造出極其復雜的多孔支架或微流道結構。

這種結構極大增加了MOFs與空氣的接觸面積，同時薄壁、通透的設計讓熱量能迅速穿透。

但這里有個技術難題：你不能簡單地把MOFs粉末和塑料混在一起打印。

如果直接將MOFs與ABS等熱塑性塑料混合進行FDM打印，聚合物會像保鮮膜一樣把MOFs的微孔全部封死。

3D打印的四條技術路徑

根據AM易道的技術調研，目前行業內探索3D打印MOFs主要有這么幾條路：

第一是漿料擠出。

把MOFs粉末和少量粘合劑混合成高粘度墨水，通過微型噴嘴直接打印，最后燒結固化。

這種方法MOF負載量最高，但設備和工藝要求特殊。

第二是光固化路線。

將MOFs納米顆粒分散在光敏樹脂中。比如將HKUST-1納米顆粒分散在含有丙烯酸酯單體和光引發劑的樹脂中，用DLP打印機制造復合材料。

但MOFs會散射紫外光，影響固化深度。

第三是原位生長。

先打印一個聚合物支架，然后把它浸泡在MOFs的前驅體溶液中，讓MOFs晶體直接在支架表面生長。

這樣MOFs的孔隙完全暴露，活性最高。

第四是復合長絲。

美國NIST的研究表明，ZIF-8/ABS復合材料在3D打印后仍能保持MOF的氣體吸附特性，雖然性能有所下降，但對于某些應用場景已經夠用。

還有粉末床（SLS/BinderJetting），我們認為理論上可行，但將MOFs粉末與聚合物粉末（如PA12）混合進行燒結，同樣面臨孔隙堵塞和界面結合力的問題。

本文案例用的是哪條技術工藝路線？

根據官方給出的宣傳圖，我們推測她們很可能采用了光固化結合復合長絲FDM打印。

無論她們用了哪種，這都表明，該項目的核心技術壁壘似乎不在于那個法外形設計，而在于MOF-聚合物復合材料的制備與增材制造工藝的匹配。

產能悖論：1.6加侖/天與2小時循環的工程可行性

聊完理論，咱們來算筆賬

根據官方給出的數據：

總產能：1.6加侖（約6升）/天。

單次循環：2小時，產水17液盎司（約0.5升）。

這兩個數字一除，我們可以算出：設備每天需要運行12次循環。

2小時一個循環（包括吸附和解吸）！

在被動式系統中，一個循環通常需要24小時。

即使主動式系統，2小時也算非?？炝恕?/p>

這意味著設備需要強制通風和主動加熱，與"便攜、靈活"的定位有些矛盾。

WaterfromAir的原型機提到了一個操作：（頂蓋）關閉后，設備開始升溫，觸發冷凝過程。

我們再來看1.6加侖（6升）這個數字。

目前學術界頂尖的MOFAWH原型機，其產水率（LPD，Litersperday）通常是按每公斤MOF材料來計算的。

頂尖的材料在理想條件下（比如主動循環），也許能做到3-5L左右。

如果要達到6升/天的產量，這個小小的便攜設備里，至少要填充1-2公斤的MOFs粉末。

這對于一個便攜式設備來說，重量和成本都不低。

因此，一個更合理的推測是：Graupe和Schwarz展示的1.6加侖，是一個理論峰值或理想工況下的推算值（比如在高濕度環境下、24小時不間斷主動循環）。

這更像是一個設計目標，而非當前原型的穩定實測數據。

正如Schwarz本人回應的：材料仍處于研究階段。

去中心化制造與濾水的終極拷問

最后，我們來談談這個項目的戰略意義。

Graupe和Schwarz的思路很清晰：

她們的目標是通過一個用戶友好、自給自足的產品設計，來展示這種新型材料（MOF）的潛力。

她們的動機是解決全球水資源不平等問題。

這里面最顛覆性的，官方提到：

由于設計文件是數字存儲的，世界各地的社區可以在本地打印他們自己的設備，無需集中的分銷系統。

這指向了去中心化制造或分布式制造的終極圖景。

在傳統模式下，一個AWH設備需要開模、建廠、量產、鋪設全球供應鏈。

而在這個新模式下，3D打印徹底重塑了價值鏈。

設備的主體（外殼、支架、結構件）可以在全球任何一個擁有3D打印機的地方按需生產，極大地降低了物流成本和固定資產投入。

當然，核心的耗材，即MOFs材料或MOF復合線材/樹脂——很可能還是需要集中生產和配送的。

但這已經從賣重資產設備轉變成了賣高附加值耗材（或材料包）的輕資產模式。

這對于快速響應偏遠地區或災害地區的水需求，具有重大的戰略意義。

商業化天花板

IDTechEx預測，MOFs市場將在未來十年增長30倍，到2034年達到6.85億美元。

一個名為Atoco公司已經在內華達州展示，一個5米×5米的中型大氣取水站每天可以產生3000升水。

順便提一嘴，這個公司的創始人是著名的Yaghi教授，2025年諾貝爾化學獎得主。

對3D打印行業來說，我們認為機會不僅在于制造設備本身，更在于開發MOF復合材料的打印工藝。

誰能率先解決MOFs與聚合物基體的相容性問題，誰就能在這個新興市場占據先機。

除了大氣取水，MOFs在碳捕獲、HVAC系統、化學分離等領域的應用都需要復雜的三維結構。

還記得我們在訪談中，業界知名投資人提到的比表面積問題嗎？

這些都是增材制造的天然應用場景。

總的來說，Water from Air項目，敏銳地抓住了三個時代的脈搏：

全球水危機、先進材料MOFs和增材制造。

它在工程上提出的（1.6加侖/天+2小時循環）的性能指標，是設備小型化、高效化的終極目標。

項目的價值不在于產品本身是否能立刻上市，我們認為，在于它向材料科學界、增材制造界和投融資界提出了一個極具價值的命題：

我們如何將實驗室里的神奇大氣取水的核心材料（MOFs），通過增材制造這個靈活的工具，轉化成解決人類實際問題的、可負擔的、可分布式的水資源解決方案？

這個原型機，就是對這個問題的一份答卷。

AM易道期待更多的中國答案。

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