Un gruppo di ricercatori della Western University in Canada ha sviluppato un nuovo metodo open-source per la stampa 3D di raccordi per tubature dell’acqua.
Secondo il team con sede a London, Ontario, ogni anno si disperdono circa 126 miliardi di metri cubi d’acqua a livello globale, principalmente a causa di perdite e rotture nei sistemi di tubature. I ricercatori ritengono che un approccio basato sulla stampa 3D locale e su richiesta di raccordi personalizzati possa favorire una gestione più efficiente delle risorse idriche.
Il design “easy-connect” sviluppato consente la compatibilità con diverse misure e materiali comunemente impiegati nei sistemi di tubature. Durante i test, i raccordi stampati in 3D hanno resistito a pressioni fino a 4,551 MPa, superando di otto volte la pressione standard degli impianti domestici. Inoltre, i costi di produzione risultano da 3 a 17 volte inferiori rispetto alle soluzioni commerciali disponibili sul mercato, offrendo un’opzione più economica e sostenibile per la manutenzione delle infrastrutture idriche.
Lo studio, co-firmato dall’esperto di open-source Dr. Joshua Pearce, è stato pubblicato nel Journal of Manufacturing and Materials Processing. I ricercatori sostengono che la produzione distribuita tramite stampa 3D possa essere vantaggiosa non solo per le abitazioni, ma anche per il settore agricolo e per l’energia rinnovabile. Questo metodo potrebbe inoltre rivelarsi particolarmente utile per comunità in zone remote o in via di sviluppo, dove la disponibilità di componenti di ricambio è spesso limitata.
Tutti i modelli 3D sono stati resi disponibili gratuitamente su Open Science Framework (OSF) e GitHub, consentendo a chiunque di scaricarli, modificarli e stamparli liberamente. I file sono distribuiti sotto licenza GNU General Public License 3.0 (GPL 3.0), che ne permette l’uso e la condivisione senza restrizioni.
Stampa 3D per una gestione più efficiente delle risorse idriche
Lo studio della Western University sottolinea come l’aumento della popolazione mondiale e i cambiamenti climatici stiano aggravando il problema della disponibilità di acqua potabile. Attualmente, ogni giorno si perdono 346 milioni di metri cubi d’acqua a causa di perdite nelle infrastrutture idriche.
Nei paesi in via di sviluppo, molte reti idriche risultano obsolete e danneggiate da corrosione e condizioni ambientali avverse. Il costo elevato di tubature e raccordi tradizionali porta spesso a ritardi nella manutenzione e alla mancata sostituzione di componenti usurati. Le perdite d’acqua non solo sprecano una risorsa essenziale, ma comportano anche aumenti nei consumi energetici per compensare la riduzione della pressione negli impianti.
Nonostante gli sforzi per migliorare la sostenibilità, circa il 30% della popolazione mondiale non ha accesso diretto all’acqua potabile trattata. Inoltre, la metà della popolazione globale deve affrontare periodi di scarsità d’acqua per almeno un mese all’anno. Anche in paesi come Stati Uniti, Canada e Australia, oltre 2 milioni di persone vivono con un accesso limitato all’acqua a causa di impianti idraulici carenti e sistemi di smaltimento inefficienti.
Il team di ricerca ritiene che la stampa 3D open-source possa rappresentare un’alternativa pratica ed economica per affrontare questi problemi, permettendo a chiunque di riparare le perdite idriche in modo semplice e immediato.
Come funzionano i raccordi stampati in 3D
Per dimostrare la loro idea, i ricercatori hanno sviluppato un sistema parametrico utilizzando OpenSCAD, un software CAD open-source. Il modello consente di modificare diametro, tipo di filettatura, spessore delle pareti, guarnizioni e tolleranze in base alle esigenze. Il codice generato può essere convertito in file STL, pronto per la stampa 3D.
Successivamente, il team ha stampato 12 campioni di raccordi e dadi in due fasi. La prima serie comprendeva tre campioni da 10 mm di diametro, stampati in PLA, PETG e ASA, mentre nella seconda fase sono stati realizzati raccordi in PETG da 20 mm di diametro. Le guarnizioni sono state prodotte con filamento TPE flessibile per garantire una tenuta ottimale.
Le stampe sono state realizzate con stampanti Prusa XL e Prusa i3 MK3S, impiegando un riempimento al 100% per garantire la tenuta stagna e aumentando il flusso di estrusione dal 5% al 15% per evitare difetti tra gli strati. Il processo ha previsto anche l’uso della stampa senza supporti, riducendo così il consumo di materiale e il tempo di post-produzione.
Dopo l’assemblaggio, i raccordi sono stati sottoposti a test idrostatici con una pompa VEVOR, eseguendo almeno 16 prove di pressione su ogni lotto per verificarne affidabilità e riutilizzabilità.
Prestazioni e costi dei raccordi stampati in 3D
Dai test è emerso che il PETG è stato il materiale più resistente, sopportando pressioni fino a 4,551 ±0,138 MPa. Seguono l’ASA con 2,758 MPa e il PLA con 2,275 MPa. I raccordi da 20 mm in PETG hanno registrato una resistenza di 2,392 ±0,138 MPa sotto un carico di 17,5 Nm di coppia, superando ampiamente i requisiti della maggior parte degli impianti domestici, che richiedono una pressione di 0,552 MPa.
In termini di costi, il prezzo stimato per ciascun raccordo da 10 mm stampato in PLA, ASA e PETG è rispettivamente di 1,03 $, 1,15 $ e 1,04 $, mentre un raccordo da 20 mm in PETG costa circa 3,30 $.
Questi prezzi risultano molto più competitivi rispetto ai componenti disponibili nei principali rivenditori, come RONA, Home Depot, Kent Building Supplies e Amazon.ca, dove i raccordi standard costano tra 4,79 $ e 18,44 $ e offrono resistenze inferiori a 1,586 MPa.
L’impatto della stampa 3D sulla gestione dell’acqua
L’uso della stampa 3D per migliorare l’accesso all’acqua potabile non è una novità. L’Università di Bath, ad esempio, ha sviluppato strutture reticolari stampate in ceramica in grado di rimuovere fino al 75% degli inquinanti PFAS dalle fonti idriche.
Allo stesso modo, l’azienda Nano Sun di Singapore ha introdotto membrane filtranti stampate in 3D per il trattamento delle acque reflue, con una capacità produttiva di 600 mq di membrane al giorno nel proprio stabilimento.
Più recentemente, Lithoz ha presentato a Formnext 2024 delle membrane filtranti stampate in ceramica, sviluppate da Evove, in grado di aumentare la produttività di cinque volte e ridurre i consumi energetici dell’80%.
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