Where Do 3D Printing Metals Come from?

Michael Molitch-Hou posted on January 10, 2019

With an understanding that something doesnrsquo;t just come from nothing, we explored the base materials used for the creation of plastics used in the 3D printing industry. Similarly, the metals that make up 3D printing donrsquo;t appear out of thin air. Instead, they are physical resources on a finite planet. While all metals are limited in supply, some are far rarer and their use will ultimately result in supply issues.

Wersquo;ve already covered how metal 3D printing materials are processed into printable powders and the variety of metals in use by the industry today. But, where do all of our 3D printing metals come from? We will look at the worldrsquo;s supply of some of the most prominent or important metals in the 3D printing industry, relying on the United States Geological Survey (USGS) for our numbers. Generally, we wonrsquo;t list every country from which minerals are produced, but just those with the highest production rates.

Titanium

Titanium is one of the most important metals in the 3D printing industry. It is seventh-most abundant metal in the Earthrsquo;s crust, found in 784 different igneous rocks, but the two with economic importance, rutile and ilmenite, are difficult to find in high concentrations. The countries producing the most ilmenite are South Africa (1.3 million tons), Australia (900,000 tons), China (800,000 tons), and Mozambique (550,000 tons). The highest rutile production comes from Australia (450,000 tons), Senegal (160,000 tons), Ukraine (90,000 tons) and Kenya (80,000 tons).

With total titanium reserves in ilmenite and rutile estimated to be over 930 million tons, Australia has the highest ilmenite reserves at 250 million tons, followed by China with 220 million tons, and Australia also has the highest rutile reserves at 29 million tons, followed by Kenya at 13 million. In comparison, the U.S. has combined ilmenite and rutile reserves of 2 million tons, just a little more than Vietnam and slightly less than Ukraine.

Aluminum

Aluminum is the most abundant metal in the Earthrsquo;s crust and the second most widely used metal globally, after iron. Because of its chemical reactivity, finding aluminum as a native metal is rare. Instead, it is most often extracted from the sedimentary rock bauxite. World bauxite deposits are estimated to be between 55 and 75 billion tons, with 32 percent in Africa, 23 percent in Oceania, 21 percent in South America and the Caribbean, 18 percent in Asia and 6 percent throughout the rest of the globe.

As of 2017, Australia was the largest miner of bauxite, with 83 million tons produced that year, followed by China at 68 million tons. Guinea has the largest reserves at 7.4 billion tons, followed by Australia with 6 billion and Vietnam with 3.7 billion. The U.S. did not list how much bauxite it produced and has the least amount in reserves at 20 million tons.

Steel

Steel is an alloy made up of iron and carbon. The fourth most common element in the Earthrsquo;s crust, 98 percent of mined iron is used to make steel. In order of rocks and minerals with the highest iron oxide content are magnetite, hematite, goethite, limonite and siderite. Ores with more than 60 percent magnetite or hematite, known as “natural” or “direct shipping” ores, can be placed directly into a blast furnace to create “pig iron”, using coking coal and limestone. Since it is too brittle for use due to higher levels of carbon, pig iron is continually reprocessed to create steel, with additional elements added in to produce different grades.

The largest producer of iron ore in 2017 was Australia with 545 million tons, followed by Brazil (280 million tons), China (210 million tons), and India (120 million tons). The U.S. produced 28 million tons, more than Canada, but less than Iran. Australia has the highest iron reserves at 24 million tons, followed by Russia (14 million tons) and Brazil (12 million tons).

While steel can be made from iron ore, it is also one of the most-recycled materials on the planet, with a recycling rate of 60 percent globally.

Cobalt

While cobalt can be extracted from its ores, cobaltite, erythrite, glaucodot and skutterudite, it is primarily produced as a byproduct of nickel and copper mining. Unlike steel/iron, cobalt is a rare metal.

The Democratic Republic of Congo (DRC) produces 63 percent of the worldrsquo;s cobalt, with 64 million tons produced in 2017. For a comparison, the next highest production, from Russia, comes in at only 5.6 million tons. Total world reserves of cobalt are estimated to be only 7.1 billion tons, with about half (3.5 billion tons) held by the DRC.

Nickel

Nickel is very rare, mined most often from laterite and sulfide deposits. In 2017, the largest producer of nickel was Indonesia at 400,000 tons, followed by the Philippines (230,000 tons), New Caledonia (210,000 tons) and Canada (210,000 tons). Total world reserves of the metal stand at 74 million tons, with the largest located in Australia (19 million tons) and Brazil (12 million). The U.S. has just 130,000 tons in reserves and produced 23,000 tons in 2017.

Copper

Copper can be found in very small quantities bound up with other valuable minerals within the following ores, in order of greatest copper content: cuprite, chalcocite, digenite, covellite, bornite, malachite, azurite, tennantite, dioptase, chrysocolla, chalcopyrite and tetrahedrite. Chile is the largest producer of copper, with 5.3 million tons produced in 2017, followed by Peru (2.4 million tons), China (1.9 million) and the U.S. (1.3 million). Chile has the largest reserves at 170 million tons, followed by Australia (88 million), Peru (81 million), Mexico (46 million) and the U.S. (45 million).

Gold

Gold is most often found as a native metal, usually with silver and often with other minerals like quarts and pyrite

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3D打印金属从何而来?

Michael Molitch-Hou 于2019年1月10日发布

了解到有些东西不是凭空而来的,我们探索了3D打印工业中用于制造塑料的基本材料。同样,构成3D打印的金属也不会凭空出现。相反,它们是有限星球上的物质资源。虽然所有金属的供应都是有限的,但有些金属要稀有得多,它们的使用最终将导致供应问题。

我们已经介绍了如何将金属3D打印材料加工成可打印粉末,以及当今工业中使用的各种金属。但是,我们所有的3D打印金属是从哪里来的呢?我们将根据美国地质调局（USGS）提供的数据，研究3D打印行业中一些著名或最重要的金属在全球的供应情况。一般来说,我们不会列出每一个矿产出产国,只会列出那些产量最高的国家。

钛

钛是3打印行业中最重要的金属之一。它是地壳中含量第七丰富的金属,存在于784种不同的火成岩中,但两种具有重要经济价值的金属—金红石和钛铁矿—在高浓度下很难找到。钛铁矿产量最多的国家是南非(130万吨)、澳大利亚(90万吨)、中国(80万吨)和莫桑比克(55吨)。金红石产量最高的国家是澳大利亚(45万吨)、塞内加尔(16万吨)乌克兰(9万吨)和肯尼亚(8万吨)。

澳大利亚钛铁矿和金红石的总储量估计超过93亿吨,其中钛铁矿储量最高,为25亿吨,其次是中国的22亿吨,澳大利亚的金红石储量最高,为2900万吨,其次是肯尼亚的1300万吨。相比之下,美国拥有200万吨钛铁矿和金红石储量,略高于越南,略低于乌克兰。

铝

铝是地壳中最丰富的金属，也是全球第二广泛使用的金属，仅次于铁。由于其化学反应性,发现铝作为一种天然金属是罕见的。相反,它通常是从沉积岩铝士矿中提取的。全球铝士矿储量估计在550-750亿吨之间,其中非洲占32%,大洋洲占23%,南美洲和加勒比海占21%,亚洲占18%,全球其他地区占6%。

截至2017年,澳大利亚是全球最大的铝土矿商,当年的铝土矿产量为8300万吨,其次是中国的6800万吨。几内亚的储量最大,为74亿吨,其次是澳大利亚的60亿吨和越南的37亿吨。美国没有公布铝士矿产量,储量最少,为200万吨。

钢

钢是由铁和碳组成的合金。作为地壳中第四常见的元素,98%的开采铁被用来炼钢。氧化铁含量最高的岩石和矿物依次为磁铁矿、赤铁矿、针铁矿、褐铁矿和菱铁矿。含有60%以上磁铁矿或赤铁矿的矿石,被称为天然或直接船运矿石,可以直接放入高炉,利用焦煤和石灰石生产生铁。由于生铁含碳量较高,使用起来太脆,所以生铁要不断地进行再加工,以制造钢铁,并添加额外的元素,以生产不同等级的钢铁。

2017年最大的铁矿石生产国是澳大利亚,产量为545亿吨,其次是巴西(2.8亿吨)中国(2.1亿吨和印度(1.2亿吨),美国生产了2800万吨,比加拿大多,但比伊朗少。澳大利亚的铁储量最高，为2400万吨，其次是俄罗斯(1400万吨)和巴西(1200万吨)。

虽然钢铁可以从铁矿石中提炼，但它也是地球上回收最多的材料之一，在全球的回收率为60%。

钴

钴可以从钴铁矿、赤藓石、蓝斑石、角闪石等矿石中提取，但主要是镍、铜矿开采的副产品,与钢铁不同,钴是一种稀有金属。

刚果民主共和国(DRC)钴产量占全球63%,2017年产量为6400万吨,相比之下,第二高的产量来自俄罗斯,只有560万吨。据估计,全世界钴的总储量只有71亿吨,其中约一半(35亿吨由刚果民主共和国持有。

镍

镍非常稀有,通常从红土和硫化物矿床中开采。2017年,最大的镍生产国是印度尼西亚,产量为40万吨,其次是菲律宾(23万吨)、新喀里多尼亚(21万吨)和加拿大(21万吨)。世界上铜的总储量为7400万吨,其中最大的位于澳大利亚190吨和巴西(1200万吨),美国只有13万吨储量,2017年的产量为2.3万吨。

钽

钽极其稀有,通常与铌一起存在于钽、钶钽铁矿和钶钽铁矿(钽和铌的混合物)中。2017年,卢旺达(390000吨)和刚果民主共和国(370000吨)的钽产量占总钽产量的近60%,其次是尼日利亚(190000吨)、巴西(100000吨)、中国(95000吨)和埃塞俄比亚(60000吨)。

据五所大学的教授迈克尔·克莱雷说,“世界上五分之一的钽供应来自刚果东部的小规模秘密采矿作业,这些作业通过迂回的路线连接到世界市场,通常要经过卢旺达。(事实上,人们普遍认为,卢旺达本身井不是一个重要的生产国,它的作用只是作为在其他地方秘密开采钽的出口平台。)”

世界钽储量估计只有1.1亿吨,澳大利亚保持着7800万吨,巴西保持着3400万吨。有人估计,按照目前的开采速度,钽的储量只剩下50年。

钨

钨是一种稀有金属，最常见于黑钨矿和白钨矿中。中国是世界上最大的钨生产国，2017年生产钩7900万吨，其次是越南(720万吨)、俄罗斯(310万吨)、玻利维亚和英国(各110万吨)。目前世界石油储量为32亿吨,其中中国的储量最多,为18亿吨,其次是俄罗斯(1.6亿吨)和越南(9500万吨)。

金属采购

研究这些金属的来源可以揭示一些有趣的细节。如果你想反思你在宇宙中的位置,你可能会对所有这些物质的宇宙学起源着迷,这些物质存在于恒星的核心,它们的形成可以追溯到大爆炸。

铜

在下列矿石中,铜以极少量与其他有价值的矿物结合而成,铜的含量最高的依次为：铜矿、赤铜矿、二长花岗岩、钴长石、硼长石、孔雀石、蓝铜矿、钛铁矿、透辉石、黄铜矿、黄铜矿和四面体。智利是最大的铜生产国,2017年产量为530万吨,紧随其后的是秘鲁()亿吨,其次是澳大利亚(800万吨、秘鲁(8100万吨)、墨西哥4600万吨和美国(4500万吨)黄金黄金通常是一种天然金属,通常与银和其他矿物如夸脫和黄铁矿一起被发现。从历史上看,南非在2006年之前一直是最大的黄金生产国,其黄金产量峰值出现在上世纪70年代的种族隔离时期。现在,黄金最大的供应国是中国(44万吨),其次是澳大利亚(30万吨、俄罗斯(255万吨和美国(245万吨)。据估计,总储量约为5400万吨,澳大利亚90万吨的储量最多,其次是南非(600吨、俄罗斯(550万吨和美国300万吨)铂铂是—种非常稀有的天然金属,常在冲积矿床中发现,并与其它铂族金属PGMs)了、铑、钯、锇、铱和铁—形成合金。在镍和铜矿床中也可发现硫化物南非无疑是最大的铂生产国,2017年生产了14亿吨铂,紧随其后的是俄罗斯2100万吨津巴布韦(100吨)加拿大1200万吨和美国890万吨,南非的PGM储量也最多,为630亿吨,其次是俄罗斯(39亿吨)、津巴布韦(12亿吨)、美国(9亿吨和加拿大(3.1亿吨)

从更为世俗的角度来看,这里讨论的金属提供了对整个行业、地缘政治事务和总体金属储量的深入了解。钽和刚果民主共和国就是一个很好的例子。联合国指出,铜钽失矿走私和出口在刚果民主共和国的战争中发挥了重要作用。刚果民主共和国的战争包括来自美国的武器和训练,1998年导致500多万人死亡。今天,钽被认为是一种中突矿物,在刚果民主共和国开采钽与侵犯人权、童工和接触有毒物质有关我们不会在这里讨论所有的问题,但是所有的开采都会带来一系列的社会和环境问题)。

钽还与许多现代技术有关,如手机和电脑,这意味着随着更多此类产品的生产,已知的供应将继续减少。

虽然这只是3D打印中使用的一种稀有金属的一个例子，但我们可以看到，在未来个特定时间,地缘政治事务可能会对金属采购产生何种影响。当不同的政府管理着某一种材料供应的很大一部分时,不仅会影响整个行业,而且可能会产生冲突。

例如,由于中国在稀土金属市场的主导地位,市场在很大程度上依赖于中国政府的决策。政府定期决定减少稀土金属的出口,导致价格波动,并可能影响依赖稀土金属的风能和太阳能等行业。随着绿色能源越来越多地被用于替代化石燃料基础设施不仅风能和太阳能的生产会受到这些决定的影响,政府间的谈判甚至气候本身也会受到影响。

例如,稀有的铂是制造催化转换器的关键,催化转换器是将一氧化碳、氮氧化物和其他排放物转化为水蒸气所必需的。因此,当新的绿色交通工具投入使用时,这种金属对于使化石燃料驱动的汽车更加环保是至关重要的。此外,那些押注氢燃料电池技术的人应该知道,铂作为该技术的催化剂也很重要。

两个国家主导着铂的生产俄罗斯和南非。如果这些国家出现任何地缘政治问题,石由供应可能会突然中断,导致各行各业的普遍混乱。

供应短缺要么对3D打印有利,因为3D打印只使用制造零件所需的材料,而浪费很少要么对3D打印的利基应用不利。

未来的材料供应

如果短缺确实发生,矿业公司已经在寻找新的资源,包括北极、月球和小行星。例如,在北极圈以北370英里(约合370公里)的加拿大巴芬内陆,一座铁矿被开采出来,用于开采铁矿石并将其运往世界各地,这需要破冰船货船将铁矿石运过该地区的冰川水域。

当地球上的金属供应变得过于稀缺时,太空就会提供自己的金属矿床来源。这份清单上的所有金属都可以在小行星上找到,已经有几家公司在研究如何在这些飞石上着陆,提取这些材料,然后把它们运回地球。月球也有可能含有宝贵的矿物质,这给美国第二次登月带来了新的意义。

或许更现实的想法是金属回收。毕竟,钢铁是地球上回收利用最多的材料之一。不幸的是,根据国际可持续发展研究所的研究，有些金属的可用性不如那些金属。以钴为例，由于绿色能源的蓬勃发展,到2060年钴的供应可能会减少,新技术的发展和金属替代途径可能在解决潜在供应短缺方面发挥更大的作用。

无论未来用于3D打印的金属来自何处,重要的是要了解它们不是来自真空(尽管可能需要真空室来打印它们)。就像塑料和地球上的所有其他资源一样,它们是更大生态系统的一部分,最终影响到更大链条上的所有其他环节。

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