研究人員在加拿大西部大學開發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，通過參數驅動的方法實現本地按需3D打印定制配件，將能夠提高水管理的效率。
這些“易連接”的設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，它們的成本比商業同類產品低3到17倍，提供了一種經濟且可持續的供水維修解決方案。
這些3D模型已經上傳到開放科學框架(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，人口增長和氣候變化導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，導致全球每天損失約3.46億立方米的水。
作者指出，在許多發展中國家，管道因腐蝕和惡劣的環境條件而老化和退化。由于標準管道設備和配件成本高昂，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可持續發展，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打印技術為解決這一問題提供了一種經濟實惠、可持續且易于獲取的解決方案。通過開源參數化設計定制的3D打印管件，在經濟上是可行的，并且簡便易行，即使是經驗最少的人員也能在需要時修復漏水的管道。
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上開發了一個腳本，該腳本具備可調節的設計參數。這些參數包括管道直徑、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，并能根據指定輸入值自動生成3D模型。生成的模型隨后可以導出為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生。此外，采用了無支撐的3D打印技術，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使用性。
△接頭的實際應用是將兩根不同材質的塑料管連接到水射流切割機作為進水管
最終，研究結果表明，PETG材料表現出最佳性能，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扭矩下實現了2.392 ± 0.138 MPa的壓力。所有測試結果均顯著超過了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，研究者們發現，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提供的傳統制造同類產品更具優勢。據研究論文指出，市場上的商業部件價格范圍在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、農業和可再生能源領域帶來了價值，并認為這種分布式制造方法特別適合那些設備短缺的發展中地區和偏遠地區。
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