本帖最后由 冰墩熊 于 2025-2-25 11:46 编辑
2025年2月25日，南极熊获悉，研究人员在加拿大西部大学开发了一种新型开源方法，用于3D打印水管配件。团队指出，全球每年因泄漏和管道破裂而流失的水量高达1260亿立方米。他们认为，通过参数驱动的方法实现本地按需3D打印定制配件，将能够提高水管理的效率。
这些“易连接”的设计能够与市场上多种尺寸和材料的管道兼容。测试显示，这些接头可以承受高达4.551 MPa的压力，相当于标准住宅水压的八倍。此外，它们的成本比商业同类产品低3到17倍，提供了一种经济且可持续的供水维修解决方案。
这些3D模型已经上传到开放科学框架(OSF)和GitHub，供所有人免费下载、修改和3D打印。这些文件遵循GNU通用公共许可证3.0 (GPL 3.0)，确保了无障碍的访问、编辑和共享权限。
△直径20毫米的PETG 3D打印管件
利用3D打印增强水资源安全
研究人员强调，人口增长和气候变化导致的水资源短缺加剧了对饮用水的需求。同时，漏水问题进一步恶化，导致全球每天损失约3.46亿立方米的水。
作者指出，在许多发展中国家，管道因腐蚀和恶劣的环境条件而老化和退化。由于标准管道设备和配件成本高昂，旧部件往往得不到及时更换，而轻微的泄漏也常常被忽视。这不仅导致资源的浪费，还增加了泵送成本，以补偿压力的下降。
尽管全球都在努力实现可持续发展，但仍有大约30%的世界人口无法获得安全的饮用水。此外，研究人员表示，大约有一半的人类每年至少面临一个月的缺水问题。实际上，在美国、加拿大和澳大利亚，由于管道系统的不良维护和废水处理不足，超过200万人面临供水不足的问题。
该研究团队隶属于西部大学的机械与材料工程系和电气与计算机工程系，他们相信3D打印技术为解决这一问题提供了一种经济实惠、可持续且易于获取的解决方案。通过开源参数化设计定制的3D打印管件，在经济上是可行的，并且简便易行，即使是经验最少的人员也能在需要时修复漏水的管道。
开源3D打印水管配件
为了验证他们的研究，研究人员首先在开源CAD软件OpenSCAD上开发了一个脚本，该脚本具备可调节的设计参数。这些参数包括管道直径、螺纹类型、壁厚、垫圈厚度和长度以及公差。OpenSCAD脚本可从OSF和GitHub免费获取，并能根据指定输入值自动生成3D模型。生成的模型随后可以导出为STL文件，并进行切片处理，以备3D打印之用。
△直径为10毫米 (a) 和20毫米 (b) 的定制管件的STL文件
随后，研究团队分两批3D打印了12个管件和螺母样品。第一批包括三个直径为10毫米的样品，每个样品均采用来自中国材料公司Polymaker的PLA、PETG和ASA长丝进行打印。第二批包括三个额外的管件，使用PETG长丝进行3D打印，适用于20毫米管径。柔性TPE长丝则用于制造垫圈密封组件。
所有部件均使用捷克OEM Prusa Research的Prusa XL和Prusa i3 MK3S桌面FFF 3D打印机制造。其中，i3 MK3S用于打印TPE垫圈，而XL则用于制造所有其它配件。为确保所有组件的防水性，采用了100%的填充率，并将挤出流量增加了5-15%，以防止层间间隙的产生。此外，采用了无支撑的3D打印技术，以最大限度地减少材料使用、减少塑料浪费并缩短后处理时间。
打印并组装的管件组件随后进行了VEVOR液压泵的静水压力测试，每批至少进行16次压力测试，以确保3D打印部件的可靠性和可重复使用性。
△接头的实际应用是将两根不同材质的塑料管连接到水射流切割机作为进水管
最终，研究结果表明，PETG材料表现出最佳性能，PETG 3D打印部件能够承受高达4.551 ± 0.138 MPa的水压。紧随其后的是ASA和PLA，分别能承受2.758 MPa和2.275 MPa的压力。在第二批测试中，直径为20毫米的PETG部件在17.5 Nm扭矩下实现了2.392 ± 0.138 MPa的压力。所有测试结果均显著超过了0.552 MPa的住宅管道标准。
在对3D打印材料成本、电力消耗以及制造时间进行计算后，研究者们发现，10毫米直径的PLA、ASA和PETG部件的成本分别为1.03美元、1.15美元和1.04美元。而较大尺寸的20毫米PETG配件每件的成本为3.30美元。这些3D打印的配件在价格上比RONA、Home Depot、Kent Building Supplies和Amazon.ca提供的传统制造同类产品更具优势。据研究论文指出，市场上的商业部件价格范围在4.79美元至18.44美元之间，且压力等级通常低于1.586 MPa。
总的来说，研究人员想要表达本地化的3D打印为住宅、农业和可再生能源领域带来了价值，并认为这种分布式制造方法特别适合那些设备短缺的发展中地区和偏远地区。
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