Life cycle assessment of innovative NdFeB magnets recycling techniques: spark plasma sintering and 3D printing

The heightened need for rare earth elements (REEs) in advanced technological applications, combined with the scarcity of primary resources, has led to the development of innovative methods to manage secondary resources. Such secondary resources typically consist of scraps or end-of-life products that contain significant quantities of valuable REEs such as neodymium (Nd). This study aims at conducting a comprehensive life cycle assessment (LCA), according to ISO 14040, of two innovative recycling technology routes specifically tailored for NdFeB magnets: spark plasma sintering (SPS) and 3D printing. The thorough assessment of resource consumption and pollution emissions is conducted for both routes, considering their entire life cycle perspective. The evaluation uses the EF 3.1 method and the results regarding key environmental impact categories are compared against those derived from the production from virgin materials. Moreover, through sensitivity analysis, the study highlights the effects of different input parameters on the environmental burden. As a result, recommendations are formulated to enhance the environmental performance of NdFeB magnets production. The findings from the life cycle assessment (LCA) confirms that the environmental impacts associated with NdFeB magnets produced through recycling technology routes are notably lower compared to those of the virgin production process. Specifically, considering the 3D printing recycling scenario, outputs from the five selected endpoint indicators, i.e., “climate change”, “particulate matter”, “human toxicity”, “water eutrophication”, and “resource consumption” are significantly reduced by a percentage ranging between 65 and 71%. This improvement is primarily attributed to the minimal utilization of virgin REEs, a consideration also emphasized by the sensitivity analysis results obtained from varying the final magnet composition.

Il crescente bisogno di terre rare (REEs) nelle applicazioni tecnologiche avanzate, combinato con la scarsità di risorse primarie, ha portato allo sviluppo di metodi innovativi per gestire le risorse secondarie. Tali risorse secondarie consistono tipicamente in scarti o prodotti giunti a fine vita che contengono quantità significative di preziose terre rare come il neodimio (Nd). Questo studio mira a condurre una valutazione del ciclo di vita (LCA), secondo la norma ISO 14040, di due percorsi tecnologici innovativi specificamente progettati per i magneti NdFeB: la Spark Plasma Sintering (SPS) e la stampa 3D. La valutazione approfondita del consumo di risorse e delle emissioni inquinanti è condotta per entrambi i percorsi, considerando la prospettiva dell'intero ciclo di vita. La valutazione utilizza il metodo EF 3.1 e i risultati relativi alle principali categorie di impatto ambientale vengono confrontati con quelli derivati dalla produzione da materiali vergini. Inoltre, attraverso un'analisi di sensibilità, lo studio mette in luce gli effetti dei diversi parametri di input sul carico ambientale. Di conseguenza, vengono formulate raccomandazioni per migliorare le prestazioni ambientali della produzione di magneti NdFeB. I risultati della valutazione del ciclo di vita (LCA) confermano che gli impatti ambientali associati ai magneti NdFeB prodotti attraverso percorsi di riciclo sono notevolmente inferiori rispetto a quelli del processo di produzione vergine. In particolare, considerando lo scenario di riciclo mediante stampa 3D, gli output dei cinque indicatori finali selezionati, ossia "cambiamento climatico", "materiale particolato", "tossicità per l'uomo", "eutrofizzazione dell'acqua" e "consumo di risorse", sono ridotti significativamente in una percentuale compresa tra il 65 e il 71%. Questo miglioramento è attribuito principalmente al minimo utilizzo di terre rare vergini, una considerazione anche enfatizzata dai risultati dell'analisi di sensibilità ottenuti variando la composizione finale del magnete.