הדפסה FDM 3D הדפסה בהנדסת הסביבה

הגישה למים נקיים נותרה אחד האתגרים הגלובליים הדוחקים ביותר.מהנדסים סביבתיים מחפשים כל הזמן שיטות ייצור חדשות לייצר רכיבים לטיפול במים שהם גם בעלי ביצועים גבוהים וגם לא יעילים. Fuse Deposition Modeling (FDM) 3D הדפסה התפתחה ככלי טרנספורמטיבי במאמץ זה.על ידי בניית אובייקטים על ידי בניית שכבת חומרים מפריפלסטיק, FDM מאפשר ייצור מהיר של דיור מורכב כי הוא בלתי אפשרי כדי ליצור עיצובים 3Dive באופן מיידי.

מימון של טכנולוגיית FDM

FDM עובד על ידי extruding a molten thermoplastic fila דרך nozzle מחומם על פלטפורמה בונה. nozzle נע לאורך X ו Y axes להפקיד כל שכבה, בעוד הפלטפורמה או gantry נע בכיוון Z עבור שכבות קיבולת מיקרוסקופית או חסימת מים (או 0.2) בדרך כלל טווח דואר מ 0.1 עד 0.3 מ"מ, ולאטרים מ 0.4 ל- 1.0 פרמטרים אלה.

יתרונות FDM לטיפול במים

FDM מציע מספר יתרונות ברורים על שיטות ייצור מסורתיות בעת ייצור רכיבי טיפול במים.

  • (FLT:0)Customization: 1FLT:1 לכל אתר טיפול במים יש שערי זרימה ייחודיים, יצירות כימיות, ומגבלות חלל. FDM מאפשר למהנדסים לשנות עיצובים על זבוב, לייצר רכיבים שמתאימים לדרישות האתר המדויקות ללא התפוגה.
  • (FLT:0) ,Rapid Prototyping:FLT:1 עיצוב ⁇ אשר לקח שבועות באמצעות CNC machining או הזרקת עובש ניתן להשלים בימים.זה מאיץ את הפיתוח של טכנולוגיות טיפול חדשניות, מ membrane תומך לעשות פיות מאני.
  • (FLT:0) Cost-Effective Small Batches:BuildFLT:1 עבור מחקרים פיילוט, מתקנים מרוחקים, או חלקי חילוף, FDM נמנע מהעלויות הגבוהות של תבניות.דפס רכיב חד פעמי הוא לעתים קרובות זול יותר מאשר הזמנת חלק מותאם אישית מחנות מכונה.
  • (FLT:0) מורכב מגמטות פנימיות:FLT:1 FDM יכול לייצר ערוצים פנימיים מורכבים, צמיגים, ומבנים דבש שמשפרים את ערבוב נוזל, להגדיל את שטח פני השטח לצמיחה ביופיל, או לשפר את יעילות סינון.
  • (FLT:0) על-Demand Manufacturing:FLT:1 באזורים מרוחקים או אסון, העברת חלקי טיפול במים לפני ביצוע מראש היא מאתגרת באופן לוגיסטי. מדפסות FDM יכולות להיות מוצבות באופן מקומי כדי להדפיס חלקים חלופיים מפולות של spools of filament, צמצום תלות שרשרת האספקה.

דרישות מפתח בטיפול במים

הדפסה FD 3D היא מאומצת על פני מגוון רחב של יישומי טיפול במים. להלן הם כמה מקרים המבטיחים ביותר לשימוש.

דירות וקרטרידג' Components

FDM מאפשר ייצור של דיור סינון עם ערוצי זרימה פנימיים אופטימיזציה הממזער אזורי מת וירידה בלחץ. מהנדסים יכולים להדפיס מסננים בגודל מותאם אישית אשר להכיל מחסניות לא סטנדרטיות או לשלב שלבים רבים סינון ביחידה אחת.לדוגמה, דיור מודפס תלת מימדי יכול לשלב מסננים מתקדמים, מיטה פחמן מופעלת, וספקת membrane בכל מינידונות הראות שטח אחד: בנוסף לתפוצה מוגבלת של 3D.

Aeration Diffusers ו Nozzles

Aeration הוא תהליך קריטי ואנרגיה בטיפול בשפכים. בועות יפות משפר יעילות העברת חמצן, אבל ייצור diffuser המסורתית מגביל את המורכבות של תבניות חור וצורות תאים. FDM מאפשר יצירת לוחיות diffuser עם חורים conical או מקודמים המייצרים בועות קטנות יותר, אחידות יותר.

כימיקלים עושים מאניפל ומיקסרים

מינון מדויק של coagulants, flocculants, וחיטוי חיוני לטיפול במים יעילים. מדפסות FDM יכול לייצר בלוקים חד-פעמיים קומפקטיים המשלבים מספר רב של יציאות אינלט, ערבוב סטטיים, וזרימים מקטעים בחלק אחד.הערוצים הפנימיים יכולים להיות נועדו ליצור תבניות היליקליות או הזרקת מסוג זה להבטיח פיזור כימי ללא גירוי חיצוני, כי הם יכולים לגרום למהנדסים מהירים של בדיקות מעבדה.

חיישנים ו Flow Probes

ניטור איכות מים מסתמכ על חיישנים עבור pH, זעזועים, מוליכות, ומזהמים ספציפיים. Off-the-shelf חיישן דיור הם לעתים קרובות מיועד לקוטר צינור סטנדרטי, מה שהופך את ההתקנה ברכבת טיפול מותאם אישית קשה. FDM מאפשר הדפסה של חיישן bespoke, תאי זרימה, ובדיקה שומרים שמתאימים לכל גודל או תצורה.

תגובות ביוסרט ותאים דלק מיקרוביאלי

FDM הוא בעל ערך במיוחד לבניית מבנים לתמיכה ביו-סרטים.טכניקה יכולה לייצר דינמיקות גבוהות של אדג'טים עם נקבוביות מבוקרת וקשרות אדמיר, תוך אופטימיזציה של הסביבה להחזקה מיקרוביאלית ופעילות. לדוגמה, משטח מינימלי זמני (TPMS) ניתן להדפיס כדי למקסם את שטח הפנים תוך שמירה על עמידות נמוכה של זרימת הדם.

חומרים נבחרים ושיקולים

בחירת הפשילה הנכונה היא קריטית עבור יישומי טיפול במים.החומר חייב לעמוד בפני התקפה כימית, לשמור על שלמות מכנית על תקופות חשיפה ארוכות, ולא להחריד חומרים מזיקים למים.

פולילאקטי Acid (PLA)

PLA הוא biodegradable וקל להדפיס, מה שהופך אותו מתאים עבור יישומים לטווח קצר וארוך. עם זאת, טמפרטורת המעבר דלת הזכוכית הנמוכה שלה (- 60 מעלות צלזיוס) ורגישויות כדי להפחית את השימוש שלה במים חמים או לטווח ארוך סיבולת. PLA משמש לעתים קרובות עבור מודלים בקנה מידה מעבדה או רכיבים לשימוש יחיד במתקנים ניסיוניים.

Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS)

ABS מציע עמידות השפעה גבוהה יותר והתנגדות כימית מאשר PLA, והוא יכול לעמוד בטמפרטורות עד 100 מעלות צלזיוס לאחר אנמדינג.זה נפוץ עבור דיור עמיד, צינורות, והתאמה. עם זאת, ABS דורש תא בנייה מחומם למזער את הצפה, ואת המטושטש שלה דורש אוורור טוב. עבור שתיית מגע מים, כמה ציונים הם NSF / NAN 61 מוסמך.

Polyethylene Terephthalate Glycol (PETG)

PETG משלב את הקלות של הדפסה של PLA עם הכוח וההתנגדות הכימית של ABS.זה משפיע על עמיד, בלתי אפשרי, ופחות נוטה להתחמש. PETG משמש נרחב עבור בקבוקי מים ומכלי מזון, מה שהופך אותו בחירה פופולרית עבור רכיבי טיפול במים.הוא גם יש התנגדות טובה יותר UV מאשר ABS, אשר מועיל עבור מתקנים חיצוניים.

פוליפרופילן (PP)

Polypropylene מציעה עמידות כימית מעולה וחיי עייפות, מה שהופך אותו אידיאלי עבור חלקים נעים כמו שסתום ו- מזהמים. PP יש גם אנרגיה על פני השטח נמוך כי מתנגד biofouling. עם זאת, PP הוא קשה לשמצה להדפיס על FDM בשל הפחתה גבוהה ודבקות מיטה ירודה. מדפסות מיוחדות או דבקים (למשל, קלטת על המיטה) נדרשים.

Polyamide (Nylon)

כריות ניילון מספקות עוצמה גבוהה, קשיחות והתנגדות לחלב, מה שהופך אותם מתאימים לרכיבים בעלי פרופיל לבבש כגון להבים או משאבה של פלדה. ניילון יש גם התנגדות כימית מצוינת עבור פותרים רבים.עם זאת, הוא סופג לחות מהאוויר, הדורשת ייבוש זהיר לפני הדפסה ויכול להוביל לשינויים במימד.

שכר והתמחות

כדי לשפר את הביצועים, יצרנים מציעים סדקים מלאים סיבים פחמן, סיבים זכוכית, או חלקיקים קרמיקה.פחמן-מחדש-reinforced ניילון מספק נוקשות מוגברת ויציבות ממדית עבור חלקים נתון ללחץ גבוה. Wood-או filaments מלא מתכת לתת אסתטיקה ייחודית אבל עשוי לדרוש עיבוד לאחר כדי לאטום עבור מגע מים.בנוסף, filaments המכילים תוספי antimicrobial (למשל, כסף מבוסס, הם חומרים מקודמים).

בעת בחירת חומר לשתייה יישומי מים, מהנדסים חייבים לאמת תאימות עם NSF / NANSI תקן 61, אשר שולט על contaminants ממרכיבים הקשורים מים הניתנים להחלפה.FLT:0NSF / NSI 61 הסמכה FLT 1:1 מבטיח כי חומרים לא להחרים רמות מזיקות של מתכות, אורגנים, או contaminants אחרים.

אתגרים ופתרונות

למרות הפוטנציאל שלה, FDM מתמודדת עם כמה מכשולים ביישומים הנדסיים סביבתיים.

  • (FLT:0)Layer Adhesion and Water Tightness:cioFLT:1) האופי השכבתי של FDM יוצר ערוצים מיקרוסקופיים שיכולים לאפשר דליפה או צמיחה חיידקית. Solutions כוללים הדפסה עם גבהים נמוכים יותר, חלקי נשימה ליד טמפרטורת המעבר של החומר, החלת נפיחות כימית חלקה (למשל, טון עבור ABS), או ציפוי עם ספקטרום מזון בטוח epoxy.
  • (FLT:0) הפחתה של ההשמדה בסביבה האפרית: FLT ( 1:1 קרינת UV, chlorine ו ⁇ מתמשכת יכול לדרג הרבה thermoplastics. מהנדסים יכולים לבחור ציונים UV-stabilized, להוסיף ציפויים מגן, או להשתמש בחומרים עמידים טבעיים כמו PTFE (potetrafluoroelenelenelenelenelene) fments, למרות PTFE הוא מאתגר להדפסה.
  • (FLT:0)Biofouling and Surface Complexness:BuildFLT:1) פני השטח FDM הם קשים בהשוואה לחלקים מזוהמים של הזרקת, מתן יותר אתרים עבור קבצים מצורפים ביו-סרטים. Post-מעבד עם חול, vapor ללטש, או יישום ציפוי הידרופילי יכול להפחית את החוספסות ולהפוך את פני השטח לקלים יותר לניקוי.
  • (FLT:0Scaling Up Production:FLT:1FDM הוא איטי מטבעו עבור נפח גדול. עבור ייצור דו-מנועי גבוה, יצרנים לעתים קרובות להשתמש FDM עבור אב-טיפוס ולאחר מכן מעבר לתבנית הזרקתית.עם זאת, מדפסת FDM בפורמט גדול (למשל, ייצור תוספת שטח גדול) יכול להדפיס רכיבים מעל מטר אחד, המאפשר ייצור של טיפול מלא ללא חלקים.
  • (FLT:0) Exupport Removal:FLT:1 ערוצים פנימיים מורכבים לעתים קרובות דורשים חומרי תמיכה בלתי פתורים.שימוש ב-Extruders כפול עם מים solle PVA (אלכוהול פוביאל) או פריצה עתירה גבוהה תומך הוא סטנדרטי, אבל תומך יכול להשאיר שאריות המשפיעות על איכות המים.

כיוונים עתידיים

השילוב של FDM להנדסת הסביבה עדיין בשלבים המוקדמים שלו, אך מספר מגמות מצביעות על אימוץ רחב יותר.

  • (FLT:0) מרבי-מטציום הדפסה: גרף 1 (FLT:1) מדפסות עתידיות ישלבו חומרים מבניים קשיחים עם ארגזי גז גמישים וקורים עמידים מבחינה כימית בדפוס יחיד, צמצום מדרגות הרכבה ונתיבי דליפה.זה יאפשר למהנדסים להדפיס מחסניות מסנן שלמות עם חותמות משולבות.
  • (FLT:0)In-Situ Printability:FLT:1 מדפסות cuM כבר נבדקו עבור ייצור באתר של רכיבי טיפול במים בקהילות מרוחקות.שלב חומרים מקומיים (למשל, סדקים ביו-דידגנטיים שנעשו מכוכב קסאזווה) עם מדפסת המופעלת על ידי השמש יכול לאפשר טיפול במים עצמיים באזורים מחוץ לאזורים.
  • (FLT:0) הדפסה להנדסת ביופיל: ⁇ 1 (ITUFLT:1), בעוד כיום נפוץ יותר בהנדסת רקמות, FDM יכול להיות מותאם להדפיס הידרוגלים המכילים חיידקים עבור פריסה ישירה ביולוגיים.זה יכול לאפשר בידוד מדויק ושליטה מרחבית של קהילות מיקרוביאלי במערכות טיפול.
  • (FLT:0) כלכלה מעגלית: התחדשות 1) , Recycling פסולת פלסטיק לתוך פשילה מציעה דרך לייצור בר קיימא.כמה יוזמות מדגימות את ה-FLT:2conversion של בקבוקי PET לתוך filamentable filaFLT 3 עבור רכיבי טיפול במים, סגירת הלולאה לשימוש מפלסטיק.
  • (FLT:0Digital Twins andיצור Design:cioFLT:1) שילוב FDM עם דינמיקת נוזל חישובית (CFD) ואינטליגנציה מלאכותית מאפשר למהנדסים לייצר ג'ממטות מותאם באופן אוטומטי.לדוגמה, אלגוריתם יכול לעצב nozzle diffuser הממזער את הירידה בלחץ תוך כדי למקסם את הכיסוי, והתוצאה יכולה להיות מודפסת ישירות.

ככל שהמחקר ממשיך והחומרים משתפרים, הדפסה FD 3D מכוונת להפוך לכלי סטנדרטי בערכת המהנדס הסביבתי, המאפשר פתרונות טיפול במים יעילים, יעילים ומבוזזים יותר.

מסקנה

הדפסה FDM 3D מציעה מהנדסים סביבתיים דרך רבת עוצמה כדי לייצר רכיבים טיפול במים מותאמים אישית עם גיאוגרפיות מורכבות שמשפר ביצועים ולהפחית עלויות.ממממונים סינון ועד ביופילם תומך, היכולת במהירות הססנות לייצר חלקים על הביקוש הוא נהיגה חדשנות במאבק עבור מים נקיים. בעוד אתגרים כגון עמידות חומרים וייצור מדרג נשאר, התקדמות בכימיה, לאחר עיבוד, ויכולות הם במהירות את הפערים מתקדמים כדי להעביר את התפקיד.