你在科學課上學過：水是生命之源。這種可再生資源常常被我們視為理所當然，因為對我們許多人來說，只需打開水龍頭就能輕松獲得。然而，提供飲用水和處理廢水的基礎(chǔ)設(shè)施需要復雜的工程技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，許多供水基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)正在老化，需要維護，甚至在某些情況下需要更換。這些系統(tǒng)可能受到泄漏、效率低下和高成本的影響。此外，由于人口增長，它們往往面臨著日益增長的需求。再加上環(huán)境目標，這就引出了一個復雜的問題：一個社區(qū)如何才能建立高效、安全、經(jīng)濟且可持續(xù)的供水基礎(chǔ)設(shè)施？

越來越多的工程師開始探索將3D打印作為一種解決方案。這項技術(shù)因其速度更快、更環(huán)保、更可定制化，在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護方面極具吸引力。但在深入探討3D打印在該領(lǐng)域的作用之前，讓我們先簡要回顧一下什么是水利基礎(chǔ)設(shè)施。

埃肖爾特污水處理廠安裝的混凝土泵井（圖片來源：Hyperion Robotics）

什么是水利基礎(chǔ)設(shè)施？

水利基礎(chǔ)設(shè)施對于滿足社會基本需求至關(guān)重要，從維持生命到維護公眾健康都離不開它。污水收集和處理對于預防疾病和保護環(huán)境也至關(guān)重要。污水處理廠是水利基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。這些設(shè)施從河流或地下水井等地表水源收集水，并利用各種化學和物理工藝進行處理，使其達到飲用水標準。凈化后的水通過由管道、水泵和儲水罐組成的配水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)輸送到目的地。使用后，這些水變成污水，必須再次處理。污水被輸送到污水處理廠，在那里經(jīng)過先進的工藝處理去除污染物，然后安全地排放回環(huán)境中。水庫和大壩是這一龐大網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，它們儲存著大量的水。這些設(shè)施可用于防洪、水力發(fā)電和提供穩(wěn)定的供水。

繪制所有這些基礎(chǔ)設(shè)施的分布圖絕非易事。這需要了解當?shù)匦枨?、環(huán)境影響、法規(guī)，當然還有成本等諸多因素。那么，增材制造在其中扮演著怎樣的角色呢？

3D打印的應用

3D打印技術(shù)在水利基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域有著廣泛的應用。本文將探討其主要應用領(lǐng)域。

基礎(chǔ)設(shè)施組件

許多基礎(chǔ)設(shè)施部件都可以進行3D打印。在英國，水務(wù)行業(yè)3D打印基礎(chǔ)設(shè)施項目因其成功實施眾多此類項目而備受矚目。該項目由聯(lián)合公用事業(yè)公司（United Utilities）牽頭，并與ChangeMaker3D、曼徹斯特城市大學的PrintCity以及蘇格蘭水務(wù)公司合作開展。自2023年啟動以來，該項目已開展多項研究，測試使用混凝土和聚合物進行3D打印在水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施中的應用。這些研究包括打印廢水噴射噴嘴、閉路電視攝像機的保護板以及用于水質(zhì)監(jiān)測儀器的水槽。經(jīng)過嚴格的測試和試驗，這三個部件現(xiàn)已投入聯(lián)合公用事業(yè)公司的日常使用。此外，他們還生產(chǎn)了供蘇格蘭水務(wù)公司和聯(lián)合公用事業(yè)公司使用的實驗室設(shè)備。

由聯(lián)合公用事業(yè)公司建造的廢水池

此外，該項目還包括于2024年6月在聯(lián)合公用事業(yè)公司位于威根的污水處理廠開設(shè)一個混凝土3D打印中心。該中心打印了污水溢流池、符合工業(yè)排放指令的圍堰、人孔環(huán)和配水井。Printfrastructure項目展示了3D打印水利基礎(chǔ)設(shè)施元件的多個實例，但其潛力遠不止于此，聯(lián)合公用事業(yè)公司計劃在2025年至2030年間增加其3D打印預算便證明了這一點。

過濾和處理

除了水利基礎(chǔ)設(shè)施本身，3D打印技術(shù)還可以用于制造水過濾和處理設(shè)備。巴斯大學的研究人員開展了一個項目來展示這種方法，他們3D打印出能夠去除水中兩種持久性化學物質(zhì)——全氟辛酸（PFOA）和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的陶瓷晶格結(jié)構(gòu)。2024年，這些研究人員發(fā)表了他們的研究成果，表明他們制造的陶瓷結(jié)構(gòu)能夠去除處理水中至少75%的PFOA和PFAS。同樣，荷蘭皇家海軍最近也成功地3D打印出了一種專為海洋環(huán)境設(shè)計的新型水過濾器。

增材制造技術(shù)也非常適用于膜過濾系統(tǒng)。根據(jù)2023年一項題為《用于廢水處理的3D打印材料》的研究，3D打印技術(shù)已被用于制造先進的膜組件，包括生物傳輸體、吸附劑、催化劑，甚至整個膜。傳統(tǒng)的膜制造需要大量有毒溶劑和單體，會產(chǎn)生大量的碳排放和廢物。相比之下，3D打印無需排放溶劑，因此是一種更加環(huán)保的方法。

圖示總結(jié)了添加劑技術(shù)在廢水處理中的應用（圖片來源：Roy Barman S等）。

這些膜已被用于工業(yè)廢水處理，特別是降解制造業(yè)和制藥業(yè)產(chǎn)生的有機污染物、含油廢水和重金屬。此外，這些膜還被用于生活用水處理和海水淡化，以回收和再利用非飲用水。

2016年，巴斯大學的研究人員率先制造出用于超濾的膜組件。此后，3D打印技術(shù)已被用于制造完整的膜（盡管不太常見），以及更常見的組件。多個組件可以組成完整的膜，而3D打印技術(shù)也一直是眾多研究的主題，旨在制造以下組件：

膜間隔片：這些間隔片可建立連續(xù)的流體流動，防止膜活性層劣化并減少污染。包括選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分布式光刻(DLP)、熔融沉積成型(FDM)和聚合物噴射成型(Polyjet)在內(nèi)的多種3D技術(shù)已被用于設(shè)計各種結(jié)構(gòu)的間隔片，包括多層結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)等等。

光催化劑：當暴露于特定波長的光下時，光催化劑會產(chǎn)生活性氧（ROS），例如羥基自由基和超氧化物，這些活性氧能夠氧化并分解有機污染物。這使得它們能夠高效地去除水體和其他環(huán)境中的污染物。多種3D打印技術(shù)，包括熔融沉積成型（FDM）、材料噴射成型、粉末結(jié)合成型和光固化成型，已被用于制造光催化劑。

生物載體：生物載體是一種多孔材料，可用于降解有機污染物，其表面可為微生物的生長和生物膜的形成提供適宜的附著平臺，從而提高污染物的降解速率。研究人員采用直接墨水書寫、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和聚合物噴射打印等技術(shù)制備了生物載體。

吸附劑：吸附劑能夠選擇性地從液相或氣相中吸附分子或離子，從而將其去除，例如氨、重金屬和揮發(fā)性有機污染物。天然材料常被用作吸附劑，但已開發(fā)的吸附劑機械強度不穩(wěn)定且缺乏柔韌性。相比之下，3D擠出打印、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和其他3D技術(shù)能夠制造出具有高機械強度、可控孔隙率、高穩(wěn)定性和卓越吸附效率的吸附劑。

技術(shù)與材料

在液壓基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)和材料選擇方面，一切都取決于具體應用。液壓基礎(chǔ)設(shè)施最常用的技術(shù)包括DLP（分布式光刻）、材料擠出和SLS（選擇性激光燒結(jié)）。印度科學研究所材料工程系的Pratik Gavit是上述2023年研究的參與者之一。他解釋說，在選擇技術(shù)時，行業(yè)利益相關(guān)者必須考慮零件尺寸、所需精度、機械性能和成本。對于高精度部件，例如隔膜墊片或具有精細特征的零件，DLP或SLS通常是最佳選擇，因為這些技術(shù)能夠提供低于100微米的分辨率和極其光滑的表面光潔度。因此，它們非常適合復雜幾何形狀、內(nèi)部通道以及表面粗糙度直接影響性能且需要盡可能減少后處理的應用。

對于管道、儲罐或結(jié)構(gòu)元件等較大的基礎(chǔ)設(shè)施部件，材料擠出（FDM）是最具成本效益的解決方案，可提供高達約300×300×600毫米的大打印體積，并且兼容多種工程熱塑性塑料，因此當零件尺寸和預算是主要限制因素時，它是理想的選擇。

對于功能原型和中等批量生產(chǎn)，選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)在機械強度和設(shè)計自由度之間實現(xiàn)了良好的平衡，因為它無需支撐結(jié)構(gòu)即可生產(chǎn)出堅固耐用的零件。這使得它尤其適用于幾何形狀復雜、必須承受運行應力且材料性能一致性至關(guān)重要的部件。

3D打印技術(shù)在水利基礎(chǔ)設(shè)施方面的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)在液壓基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的優(yōu)勢因應用而異，但其某些通用特性使其極具吸引力。這些特性包括：更大的設(shè)計和定制自由度、更快的生產(chǎn)和部署速度、更高的耐用性、更優(yōu)異的性能和更長的使用壽命，以及單個零件和小批量生產(chǎn)的成本節(jié)約。

聯(lián)合公用事業(yè)公司告訴我們，他們從3D混凝土打印中看到的最顯著優(yōu)勢是速度快、碳足跡小和成本節(jié)約?！袄?，打印一個合流制污水溢流處理室的速度提高了60%，碳排放量減少了27%，而且成本效益很高。這些數(shù)據(jù)已由我們的碳評估顧問獨立驗證?！痹搱F隊表示，Printfrastructure項目總體上減少了50%的碳排放，這一節(jié)省是基于“將3D打印資產(chǎn)的全生命周期碳排放影響與傳統(tǒng)建造資產(chǎn)的碳排放影響進行比較”得出的。

此外，聯(lián)合公用事業(yè)公司表示，聚合物打印技術(shù)可以讓他們打印過時的部件，從而延長過濾器的使用壽命，而且該技術(shù)還有助于快速制作原型或定制設(shè)計。“我們目前正在探索這項技術(shù)的潛力，以便在緊急情況下（例如管道爆裂）快速制造部件，從而在找到永久解決方案之前進行快速維修，”聯(lián)合公用事業(yè)公司補充道。

聯(lián)合公用事業(yè)公司在其日常運營中使用3D打印的污水噴射噴嘴。（圖片來源：聯(lián)合公用事業(yè)公司）

3D打印在水利基礎(chǔ)設(shè)施中的局限性

雖然在供水網(wǎng)絡(luò)中使用增材制造(AM)技術(shù)可以帶來諸多優(yōu)勢，但采用新技術(shù)總會面臨挑戰(zhàn)。聯(lián)合公用事業(yè)團隊解釋說，他們必須努力讓人們熟悉這種施工方法，并幫助他們了解其潛在益處?！拔覀冊谕O(shè)立打印中心，演示3D打印的實際應用，展示了混凝土結(jié)構(gòu)打印的速度之快。在整個項目過程中，我們與其他水務(wù)公司、配送合作伙伴和供應商分享知識，這有助于克服一些障礙?！?/span>

前面提到的研究的作者之一Gavit將3D打印在水利基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的主要局限性分為三類：技術(shù)障礙、經(jīng)濟障礙和監(jiān)管障礙。

技術(shù)障礙包括：

分辨率限制：目前的打印機難以制造出高級過濾所需的細小孔隙（納米過濾需要孔徑小于10納米）；

材料限制：耐化學腐蝕、食品級且適用于飲用水應用的材料選擇有限；

規(guī)?；弘y以印刷尺寸大于1 x 5米的平面膜，而工業(yè)應用需要這種尺寸的平面膜。

此外，經(jīng)濟障礙可能表現(xiàn)為以下幾種形式：

設(shè)備成本高昂：能夠打印液壓基礎(chǔ)設(shè)施部件的工業(yè)打印機價格在20萬美元到50萬美元甚至更高；

降低生產(chǎn)速度：3D打印通常只有在小批量生產(chǎn)時才有利可圖（每年少于1,000個零件，以利于環(huán)境保護）；

材料成本：特種印刷材料的成本為每公斤100至500美元，而傳統(tǒng)材料的成本為每公斤10至50美元。

最后，監(jiān)管方面的障礙包括：

安全認證：飲用水系統(tǒng)的3D打印組件必須符合NSF/ANSI標準，而目前的材料往往不符合這一標準；

長期性能驗證：監(jiān)管機構(gòu)要求提供超過20年使用壽命的數(shù)據(jù)，但3D打印在水相關(guān)應用領(lǐng)域的現(xiàn)場經(jīng)驗不足10年；

質(zhì)量控制標準：缺乏針對3D打印液壓基礎(chǔ)設(shè)施組件的標準化測試規(guī)程。

水利基礎(chǔ)設(shè)施的3D打印

西安大略大學的約書亞·皮爾斯博士利用3D打印技術(shù)制作PETG管件，以優(yōu)化水資源管理。（圖片來源：西安大略大學）

前景

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，制造商們?nèi)栽诓粩嗵剿髟霾闹圃煸谒A(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應用。未來，我們或許會看到更多分散式的3D打印中心服務(wù)于水務(wù)公司，以及與數(shù)字孿生和預測性維護技術(shù)的融合。從實驗項目到日常實踐的過渡已然展開。盡管仍處于早期階段，但這些進展預示著3D打印將在未來以更可持續(xù)的方式提供清潔安全用水方面發(fā)揮關(guān)鍵作用?！瓣P(guān)鍵在于管理預期，”加維特先生解釋道，“3D打印不會在一夜之間徹底改變水利基礎(chǔ)設(shè)施，但它已經(jīng)在特定應用領(lǐng)域創(chuàng)造了價值，并將隨著材料和工藝的成熟而不斷發(fā)展壯大?！?/span>

編譯整理：3dnatives