カナダのウエスタン大学の新しい研究によると、オープンソースの3Dプリントパイプは水の無駄を減らすことができるという。

この投稿は Bingdunxiong によって 2025-2-25 11:46 に最後に編集されました

2025年2月25日、Antarctic Bearは、カナダのウエスタン大学の研究者が水道管継手を3Dプリントするための新しいオープンソース方式を開発したことを知りました。研究チームは、漏水やパイプの破損により、世界中で毎年約1260億立方メートルの水が失われていると指摘した。彼らは、パラメータ駆動型のアプローチによるカスタマイズされたアクセサリのローカルオンデマンド 3D プリントにより、水管理の効率を向上できると考えています。

△この研究はオープンソースの提唱者であるジョシュア・ピアース博士との共著であり、「Journal of Manufacturing and Materials Processing」誌に掲載されました。関連トピックは「オープンソース CAD を使用した接続しやすいパイプコンポーネントのパラメトリック設計と 3D プリントを使用した製造」(ポータル) です。
これらの「簡単接続」設計は、市場で入手可能なさまざまなパイプのサイズと材質と互換性があります。テストの結果、ジョイントは標準的な住宅用水圧の8倍にあたる4.551MPaまでの圧力に耐えられることがわかった。さらに、市販の製品に比べて 3 ～ 17 倍のコストで済むため、給水修理のための経済的で持続可能なソリューションを提供します。

3D モデルは Open Science Framework (OSF) と GitHub にアップロードされており、誰でも無料でダウンロード、変更、3D プリントできます。これらのファイルは GNU General Public License 3.0 (GPL 3.0) に基づいてライセンスされており、妨げられることなくアクセス、編集、共有を行うことができます。

△ 直径20mmのPETG 3Dプリントパイプ
3Dプリントで水の安全性を向上

研究者らは、気候変動による人口増加と水不足が飲料水の需要を増加させていると強調した。同時に、漏水問題もさらに悪化し、世界全体で毎日約3億4600万立方メートルの水が失われています。

著者らは、多くの発展途上国では、腐食や厳しい環境条件によりパイプラインが老朽化し、劣化していると指摘している。標準的な配管設備や継手は高価なため、古い部品が適切なタイミングで交換されないことが多く、小さな漏れが気付かれないことがよくあります。これにより、リソースが無駄になるだけでなく、圧力の低下を補うためにポンプのコストも増加します。

持続可能な開発を達成するための世界的な取り組みにもかかわらず、世界の人口の約 30% は依然として安全な飲料水にアクセスできません。さらに、研究者らは、人類の約半数が毎年少なくとも1か月間水不足に直面していると述べている。実際、米国、カナダ、オーストラリアでは、配管システムのメンテナンスが不十分で、廃水処理が不十分なため、200万人以上の人々が水の供給不足に直面しています。

ウェスタン大学の機械・材料工学部と電気・コンピュータ工学部を拠点とする研究チームは、3Dプリント技術がこの問題に対して手頃な価格で持続可能かつ利用しやすい解決策を提供すると考えています。オープンソースのパラメトリック設計によるカスタムパイプ継手の 3D プリントは経済的かつ簡単で、経験の浅い人員でも必要に応じて漏れのあるパイプを修理できます。

△GitHubインターフェース（ポータル）
オープンソースの 3D プリント水道管アクセサリ

研究者らは研究を検証するために、まずオープンソースのCADソフトウェアOpenSCAD上で調整可能な設計パラメータを持つスクリプトを開発しました。これらのパラメータには、パイプの直径、ねじの種類、壁の厚さ、ガスケットの厚さと長さ、許容差が含まれます。 OpenSCAD スクリプトは OSF と GitHub から無料で入手でき、指定された入力値に基づいて 3D モデルを自動的に生成できます。作成されたモデルは STL ファイルとしてエクスポートし、3D プリント用にスライスすることができます。

△ 直径 10 mm (a) と 20 mm (b) のカスタマイズされたパイプ継手の STL ファイル。研究チームはその後、2 つのバッチで 12 個のパイプ継手とナットのサンプルを 3D プリントしました。最初のバッチには直径10mmのサンプルが3つ含まれており、それぞれ中国の材料会社PolymakerのPLA、PETG、ASAフィラメントを使用して印刷されています。 2 番目のバッチには、PETG フィラメントを使用して 20 mm のチューブ直径で 3D プリントされた 3 つの追加チューブピースが含まれていました。柔軟な TPE フィラメントは、ガスケットシール部品の製造に使用されます。

すべての部品は、チェコの OEM Prusa Research の Prusa XL および Prusa i3 MK3S デスクトップ FFF 3D プリンターを使用して製造されました。 i3 MK3S は TPE ガスケットの印刷に使用され、XL は他のすべてのアクセサリの作成に使用されます。すべてのコンポーネントの防水性を確保するために、100% の充填率が使用され、層間の隙間を防ぐために押し出し流量が 5 ～ 15% 増加しました。さらに、サポートフリーの 3D プリント技術を使用することで、材料の使用を最小限に抑え、プラスチック廃棄物を削減し、後処理時間を短縮しました。

次に、印刷され組み立てられたパイプアセンブリは、VEVOR 油圧ポンプを使用して静水圧テストを受けました。各バッチは少なくとも 16 回の圧力テストを受け、3D 印刷された部品の信頼性と再利用性を確保しました。

△ジョイントの実用化は、異なる材質のプラスチックパイプ2本をウォータージェット切断機の給水管として接続することです。最終的に、研究結果によると、PETG材質が最高の性能を示し、PETG 3Dプリント部品は最大4.551±0.138MPaの水圧に耐えることができます。これに続いて ASA と PLA が、それぞれ 2.758 MPa と 2.275 MPa の圧力に耐えることができます。 2 回目のテストでは、直径 20 mm の PETG 部品が 17.5 Nm のトルクで 2.392 ± 0.138 MPa の圧力を達成しました。すべてのテスト結果は、住宅配管基準の 0.552 MPa を大幅に上回りました。

研究者らは、3Dプリント材料、電力消費量、製造時間のコストを計算した結果、直径10mmのPLA、ASA、PETG部品のコストはそれぞれ1.03ドル、1.15ドル、1.04ドルであることがわかりました。一方、より大きなサイズの 20mm PETG 継手は 1 つあたり 3.30 ドルかかります。これらの 3D プリント部品は、RONA、Home Depot、Kent Building Supplies、Amazon.ca などの従来製造の部品と比べて価格競争力があります。調査論文によると、市販の部品の価格は4.79ドルから18.44ドルの範囲で、圧力定格は通常1.586MPa未満です。

全体として、研究者たちは、ローカライズされた 3D プリントが住宅、農業、再生可能エネルギーの各分野に価値をもたらすことを示したいと考えており、この分散型製造方法は、設備が不足している開発途上地域や遠隔地に特に適していると考えています。

カナダのウエスタン大学の新しい研究によると、オープンソースの3Dプリントパイプは水の無駄を減らすことができるという。

3D プリント技術は非常に人気があり、その開発はこれら 3 つの側面から始まるべきです。

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