从空气提取饮用水的人类命题！拆解MOF的3D打印技术路径与商业逻辑

AM易道深度分享

AM易道今天要跟大家聊的这个项目，表面上看是两个德国学生的毕业设计，但它触碰到的技术命题，可能会影响整个增材制造行业的应用方向。

来自德国明斯特应用技术大学的Louisa Graupe和Julika Schwarz带来了一个叫Water from Air的3D打印原型设备。

这个看起来像水壶的玩意儿，号称每天能从空气中打印出1.6加仑（约6升）的饮用水。

更关键的是，她们说设备的主体结构完全是3D打印的，而且内置的金属有机框架材料（MOFs）还能同时去除污染物。

在AM易道看来，这个项目真正的价值不在于产品本身能否立刻量产，而在于它为我们这个行业抛出了一个极具价值的问题：

我们如何将实验室里能够在10%湿度下就能吸水的神奇MOFs粉末，通过增材制造这个灵活的工具，转化成解决人类实际问题的硬件？

MOFs：为什么是大气取水的理想材料

先说说MOFs为什么这么厉害。

金属有机框架是一类孔隙率极高、比表面积可达7000平方米每克的多孔晶体材料。

打个比方，一克MOF材料展开后的表面积相当于一个足球场。

但真正让MOFs成为大气取水明星的，是它们独特的S型吸附曲线。

传统的硅胶需要较高湿度才能吸水，沸石虽然在低湿度下也能工作，但要150°C以上才能把水放出来，能耗太高。

MOF-801这样的材料只需要在环境温度（25°C）和轻微加热（45-65°C）之间切换，就能完成一次完整的吸附-解吸循环。

这意味着什么？意味着你可以用太阳能这种低品位热源来驱动整个系统。

2017年，Yaghi团队首次展示了使用MOF-801的大气取水设备，在20%相对湿度下实现了每公斤MOF每天0.24升的产水量。

而现在，最新的Ni2Cl2(BTDD)材料已经可以实现每天3.5升每公斤MOF的产水量，性能提升了14倍。

3D打印在这里解决了什么问题？

MOFs材料通常是粉末状的。

你要把它做成某种层状的床来使用，但如果床层太厚，空气很难快速渗透；

加热解吸时，热量也很难均匀传递。这就是传热传质的瓶颈。

3D打印恰好能解决这个问题。

通过增材制造，特别是光固化或选择性激光烧结等高精度技术，可以制造出极其复杂的多孔支架或微流道结构。

这种结构极大增加了MOFs与空气的接触面积，同时薄壁、通透的设计让热量能迅速穿透。

但这里有个技术难题：你不能简单地把MOFs粉末和塑料混在一起打印。

如果直接将MOFs与ABS等热塑性塑料混合进行FDM打印，聚合物会像保鲜膜一样把MOFs的微孔全部封死。

3D打印的四条技术路径

根据AM易道的技术调研，目前行业内探索3D打印MOFs主要有这么几条路：

第一是浆料挤出。

把MOFs粉末和少量粘合剂混合成高粘度墨水，通过微型喷嘴直接打印，最后烧结固化。

这种方法MOF负载量最高，但设备和工艺要求特殊。

第二是光固化路线。

将MOFs纳米颗粒分散在光敏树脂中。比如将HKUST-1纳米颗粒分散在含有丙烯酸酯单体和光引发剂的树脂中，用DLP打印机制造复合材料。

但MOFs会散射紫外光，影响固化深度。

第三是原位生长。

先打印一个聚合物支架，然后把它浸泡在MOFs的前驱体溶液中，让MOFs晶体直接在支架表面生长。

这样MOFs的孔隙完全暴露，活性最高。

第四是复合长丝。

美国NIST的研究表明，ZIF-8/ABS复合材料在3D打印后仍能保持MOF的气体吸附特性，虽然性能有所下降，但对于某些应用场景已经够用。

还有粉末床（SLS/BinderJetting），我们认为理论上可行，但将MOFs粉末与聚合物粉末（如PA12）混合进行烧结，同样面临孔隙堵塞和界面结合力的问题。

本文案例用的是哪条技术工艺路线？

根据官方给出的宣传图，我们推测她们很可能采用了光固化结合复合长丝FDM打印。

无论她们用了哪种，这都表明，该项目的核心技术壁垒似乎不在于那个法外形设计，而在于MOF-聚合物复合材料的制备与增材制造工艺的匹配。

产能悖论：1.6加仑/天与2小时循环的工程可行性

聊完理论，咱们来算笔账

根据官方给出的数据：

总产能：1.6加仑（约6升）/天。

单次循环：2小时，产水17液盎司（约0.5升）。

这两个数字一除，我们可以算出：设备每天需要运行12次循环。

2小时一个循环（包括吸附和解吸）！

在被动式系统中，一个循环通常需要24小时。

即使主动式系统，2小时也算非常快了。

这意味着设备需要强制通风和主动加热，与"便携、灵活"的定位有些矛盾。

WaterfromAir的原型机提到了一个操作：（顶盖）关闭后，设备开始升温，触发冷凝过程。

我们再来看1.6加仑（6升）这个数字。

目前学术界顶尖的MOFAWH原型机，其产水率（LPD，Litersperday）通常是按每公斤MOF材料来计算的。

顶尖的材料在理想条件下（比如主动循环），也许能做到3-5L左右。

如果要达到6升/天的产量，这个小小的便携设备里，至少要填充1-2公斤的MOFs粉末。

这对于一个便携式设备来说，重量和成本都不低。

因此，一个更合理的推测是：Graupe和Schwarz展示的1.6加仑，是一个理论峰值或理想工况下的推算值（比如在高湿度环境下、24小时不间断主动循环）。

这更像是一个设计目标，而非当前原型的稳定实测数据。

正如Schwarz本人回应的：材料仍处于研究阶段。

去中心化制造与滤水的终极拷问

最后，我们来谈谈这个项目的战略意义。

Graupe和Schwarz的思路很清晰：

她们的目标是通过一个用户友好、自给自足的产品设计，来展示这种新型材料（MOF）的潜力。

她们的动机是解决全球水资源不平等问题。

这里面最颠覆性的，官方提到：

由于设计文件是数字存储的，世界各地的社区可以在本地打印他们自己的设备，无需集中的分销系统。

这指向了去中心化制造或分布式制造的终极图景。

在传统模式下，一个AWH设备需要开模、建厂、量产、铺设全球供应链。

而在这个新模式下，3D打印彻底重塑了价值链。

设备的主体（外壳、支架、结构件）可以在全球任何一个拥有3D打印机的地方按需生产，极大地降低了物流成本和固定资产投入。

当然，核心的耗材，即MOFs材料或MOF复合线材/树脂——很可能还是需要集中生产和配送的。

但这已经从卖重资产设备转变成了卖高附加值耗材（或材料包）的轻资产模式。

这对于快速响应偏远地区或灾害地区的水需求，具有重大的战略意义。

商业化天花板

IDTechEx预测，MOFs市场将在未来十年增长30倍，到2034年达到6.85亿美元。

一个名为Atoco公司已经在内华达州展示，一个5米×5米的中型大气取水站每天可以产生3000升水。

顺便提一嘴，这个公司的创始人是著名的Yaghi教授，2025年诺贝尔化学奖得主。

对3D打印行业来说，我们认为机会不仅在于制造设备本身，更在于开发MOF复合材料的打印工艺。

谁能率先解决MOFs与聚合物基体的相容性问题，谁就能在这个新兴市场占据先机。

除了大气取水，MOFs在碳捕获、HVAC系统、化学分离等领域的应用都需要复杂的三维结构。

还记得我们在访谈中，业界知名投资人提到的比表面积问题吗？

这些都是增材制造的天然应用场景。

总的来说，Water from Air项目，敏锐地抓住了三个时代的脉搏：

全球水危机、先进材料MOFs和增材制造。

它在工程上提出的（1.6加仑/天+2小时循环）的性能指标，是设备小型化、高效化的终极目标。

项目的价值不在于产品本身是否能立刻上市，我们认为，在于它向材料科学界、增材制造界和投融资界提出了一个极具价值的命题：

我们如何将实验室里的神奇大气取水的核心材料（MOFs），通过增材制造这个灵活的工具，转化成解决人类实际问题的、可负担的、可分布式的水资源解决方案？

这个原型机，就是对这个问题的一份答卷。

AM易道期待更多的中国答案。

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