加拿大西部大學(xué)新研究表明開(kāi)源3D打印管件可減少水浪費(fèi)

2025年2月25日,，南極熊獲悉,，研究人員在加拿大西部大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種新型開(kāi)源方法，用于3D打印水管配件,。團(tuán)隊(duì)指出,，全球每年因泄漏和管道破裂而流失的水量高達(dá)1260億立方米。他們認(rèn)為,，通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)本地按需3D打印定制配件,，將能夠提高水管理的效率。

△此項(xiàng)研究由開(kāi)源倡導(dǎo)者Joshua Pearce博士共同撰寫(xiě),，并發(fā)表在《制造與材料加工雜志》上,。相關(guān)題目為“使用開(kāi)源CAD進(jìn)行易連接管件組件的參數(shù)化設(shè)計(jì)并使用3D打印進(jìn)行制造”（傳送門(mén)）

這些“易連接”的設(shè)計(jì)能夠與市場(chǎng)上多種尺寸和材料的管道兼容。測(cè)試顯示,，這些接頭可以承受高達(dá)4.551 MPa的壓力,，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)住宅水壓的八倍,。此外，它們的成本比商業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品低3到17倍,，提供了一種經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的供水維修解決方案,。

這些3D模型已經(jīng)上傳到開(kāi)放科學(xué)框架(OSF)和GitHub，供所有人免費(fèi)下載,、修改和3D打印,。這些文件遵循GNU通用公共許可證3.0 (GPL 3.0)，確保了無(wú)障礙的訪問(wèn),、編輯和共享權(quán)限,。

△直徑20毫米的PETG 3D打印管件

利用3D打印增強(qiáng)水資源安全

研究人員強(qiáng)調(diào)，人口增長(zhǎng)和氣候變化導(dǎo)致的水資源短缺加劇了對(duì)飲用水的需求,。同時(shí),，漏水問(wèn)題進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致全球每天損失約3.46億立方米的水,。

作者指出,，在許多發(fā)展中國(guó)家，管道因腐蝕和惡劣的環(huán)境條件而老化和退化,。由于標(biāo)準(zhǔn)管道設(shè)備和配件成本高昂,，舊部件往往得不到及時(shí)更換，而輕微的泄漏也常常被忽視,。這不僅導(dǎo)致資源的浪費(fèi),，還增加了泵送成本，以補(bǔ)償壓力的下降,。

盡管全球都在努力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,，但仍有大約30%的世界人口無(wú)法獲得安全的飲用水。此外,，研究人員表示,，大約有一半的人類(lèi)每年至少面臨一個(gè)月的缺水問(wèn)題。實(shí)際上,，在美國(guó),、加拿大和澳大利亞，由于管道系統(tǒng)的不良維護(hù)和廢水處理不足,，超過(guò)200萬(wàn)人面臨供水不足的問(wèn)題,。

該研究團(tuán)隊(duì)隸屬于西部大學(xué)的機(jī)械與材料工程系和電氣與計(jì)算機(jī)工程系，他們相信3D打印技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,、可持續(xù)且易于獲取的解決方案,。通過(guò)開(kāi)源參數(shù)化設(shè)計(jì)定制的3D打印管件，在經(jīng)濟(jì)上是可行的,，并且簡(jiǎn)便易行,，即使是經(jīng)驗(yàn)最少的人員也能在需要時(shí)修復(fù)漏水的管道,。

△GitHub界面（傳送門(mén)）

開(kāi)源3D打印水管配件

為了驗(yàn)證他們的研究，研究人員首先在開(kāi)源CAD軟件OpenSCAD上開(kāi)發(fā)了一個(gè)腳本,，該腳本具備可調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù),。這些參數(shù)包括管道直徑、螺紋類(lèi)型,、壁厚,、墊圈厚度和長(zhǎng)度以及公差。OpenSCAD腳本可從OSF和GitHub免費(fèi)獲取,，并能根據(jù)指定輸入值自動(dòng)生成3D模型,。生成的模型隨后可以導(dǎo)出為STL文件，并進(jìn)行切片處理,，以備3D打印之用,。

△直徑為10毫米 (a) 和20毫米 (b) 的定制管件的STL文件

隨后，研究團(tuán)隊(duì)分兩批3D打印了12個(gè)管件和螺母樣品,。第一批包括三個(gè)直徑為10毫米的樣品,，每個(gè)樣品均采用來(lái)自中國(guó)材料公司Polymaker的PLA、PETG和ASA長(zhǎng)絲進(jìn)行打印,。第二批包括三個(gè)額外的管件,，使用PETG長(zhǎng)絲進(jìn)行3D打印，適用于20毫米管徑,。柔性TPE長(zhǎng)絲則用于制造墊圈密封組件,。

所有部件均使用捷克OEM Prusa Research的Prusa XL和Prusa i3 MK3S桌面FFF 3D打印機(jī)制造。其中,，i3 MK3S用于打印TPE墊圈,，而XL則用于制造所有其它配件,。為確保所有組件的防水性,，采用了100%的填充率，并將擠出流量增加了5-15%,，以防止層間間隙的產(chǎn)生,。此外，采用了無(wú)支撐的3D打印技術(shù),，以最大限度地減少材料使用,、減少塑料浪費(fèi)并縮短后處理時(shí)間。

打印并組裝的管件組件隨后進(jìn)行了VEVOR液壓泵的靜水壓力測(cè)試,，每批至少進(jìn)行16次壓力測(cè)試,，以確保3D打印部件的可靠性和可重復(fù)使用性。

△接頭的實(shí)際應(yīng)用是將兩根不同材質(zhì)的塑料管連接到水射流切割機(jī)作為進(jìn)水管

最終,，研究結(jié)果表明,，PETG材料表現(xiàn)出最佳性能,，PETG 3D打印部件能夠承受高達(dá)4.551 ± 0.138 MPa的水壓。緊隨其后的是ASA和PLA,，分別能承受2.758 MPa和2.275 MPa的壓力,。在第二批測(cè)試中，直徑為20毫米的PETG部件在17.5 Nm扭矩下實(shí)現(xiàn)了2.392 ± 0.138 MPa的壓力,。所有測(cè)試結(jié)果均顯著超過(guò)了0.552 MPa的住宅管道標(biāo)準(zhǔn),。

在對(duì)3D打印材料成本、電力消耗以及制造時(shí)間進(jìn)行計(jì)算后,，研究者們發(fā)現(xiàn),，10毫米直徑的PLA、ASA和PETG部件的成本分別為1.03美元,、1.15美元和1.04美元,。而較大尺寸的20毫米PETG配件每件的成本為3.30美元。這些3D打印的配件在價(jià)格上比RONA,、Home Depot,、Kent Building Supplies和Amazon.ca提供的傳統(tǒng)制造同類(lèi)產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)。據(jù)研究論文指出,，市場(chǎng)上的商業(yè)部件價(jià)格范圍在4.79美元至18.44美元之間,，且壓力等級(jí)通常低于1.586 MPa。

總的來(lái)說(shuō),，研究人員想要表達(dá)本地化的3D打印為住宅,、農(nóng)業(yè)和可再生能源領(lǐng)域帶來(lái)了價(jià)值，并認(rèn)為這種分布式制造方法特別適合那些設(shè)備短缺的發(fā)展中地區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū),。