加拿大西部大學(xué)新研究表明開源3D打印管件可減少水浪費

2025年2月25日，南極熊獲悉，研究人員在加拿大西部大學(xué)開發(fā)了一種新型開源方法，用于3D打印水管配件。團隊指出，全球每年因泄漏和管道破裂而流失的水量高達1260億立方米。他們認為，通過參數(shù)驅(qū)動的方法實現(xiàn)本地按需3D打印定制配件，將能夠提高水管理的效率。

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

這些“易連接”的設(shè)計能夠與市場上多種尺寸和材料的管道兼容。測試顯示，這些接頭可以承受高達4.551 MPa的壓力，相當于標準住宅水壓的八倍。此外，它們的成本比商業(yè)同類產(chǎn)品低3到17倍，提供了一種經(jīng)濟且可持續(xù)的供水維修解決方案。

這些3D模型已經(jīng)上傳到開放科學(xué)框架(OSF)和GitHub，供所有人免費下載、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)，確保了無障礙的訪問、編輯和共享權(quán)限。

△直徑20毫米的PETG 3D打印管件

利用3D打印增強水資源安全

研究人員強調(diào)，人口增長和氣候變化導(dǎo)致的水資源短缺加劇了對飲用水的需求。同時，漏水問題進一步惡化，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)展中國家，管道因腐蝕和惡劣的環(huán)境條件而老化和退化。由于標準管道設(shè)備和配件成本高昂，舊部件往往得不到及時更換，而輕微的泄漏也常常被忽視。這不僅導(dǎo)致資源的浪費，還增加了泵送成本，以補償壓力的下降。

盡管全球都在努力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，但仍有大約30%的世界人口無法獲得安全的飲用水。此外，研究人員表示，大約有一半的人類每年至少面臨一個月的缺水問題。實際上，在美國、加拿大和澳大利亞，由于管道系統(tǒng)的不良維護和廢水處理不足，超過200萬人面臨供水不足的問題。

該研究團隊隸屬于西部大學(xué)的機械與材料工程系和電氣與計算機工程系，他們相信3D打印技術(shù)為解決這一問題提供了一種經(jīng)濟實惠、可持續(xù)且易于獲取的解決方案。通過開源參數(shù)化設(shè)計定制的3D打印管件，在經(jīng)濟上是可行的，并且簡便易行，即使是經(jīng)驗最少的人員也能在需要時修復(fù)漏水的管道。

△GitHub界面（傳送門）

開源3D打印水管配件

為了驗證他們的研究，研究人員首先在開源CAD軟件OpenSCAD上開發(fā)了一個腳本，該腳本具備可調(diào)節(jié)的設(shè)計參數(shù)。這些參數(shù)包括管道直徑、螺紋類型、壁厚、墊圈厚度和長度以及公差。OpenSCAD腳本可從OSF和GitHub免費獲取，并能根據(jù)指定輸入值自動生成3D模型。生成的模型隨后可以導(dǎo)出為STL文件，并進行切片處理，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，研究團隊分兩批3D打印了12個管件和螺母樣品。第一批包括三個直徑為10毫米的樣品，每個樣品均采用來自中國材料公司Polymaker的PLA、PETG和ASA長絲進行打印。第二批包括三個額外的管件，使用PETG長絲進行3D打印，適用于20毫米管徑。柔性TPE長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、減少塑料浪費并縮短后處理時間。

打印并組裝的管件組件隨后進行了VEVOR液壓泵的靜水壓力測試，每批至少進行16次壓力測試，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作為進水管

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。在第二批測試中，直徑為20毫米的PETG部件在17.5 Nm扭矩下實現(xiàn)了2.392 ± 0.138 MPa的壓力。所有測試結(jié)果均顯著超過了0.552 MPa的住宅管道標準。

在對3D打印材料成本、電力消耗以及制造時間進行計算后，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打印的配件在價格上比RONA、Home Depot、Kent Building Supplies和Amazon.ca提供的傳統(tǒng)制造同類產(chǎn)品更具優(yōu)勢。據(jù)研究論文指出，市場上的商業(yè)部件價格范圍在4.79美元至18.44美元之間，且壓力等級通常低于1.586 MPa。

總的來說，研究人員想要表達本地化的3D打印為住宅、農(nóng)業(yè)和可再生能源領(lǐng)域帶來了價值，并認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)和偏遠地區(qū)。