你在科学课上学过：水是生命之源。这种可再生资源常常被我们视为理所当然，因为对我们许多人来说，只需打开水龙头就能轻松获得。然而，提供饮用水和处理废水的基础设施需要复杂的工程技术。在全球范围内，许多供水基础设施系统正在老化，需要维护，甚至在某些情况下需要更换。这些系统可能受到泄漏、效率低下和高成本的影响。此外，由于人口增长，它们往往面临着日益增长的需求。再加上环境目标，这就引出了一个复杂的问题：一个社区如何才能建立高效、安全、经济且可持续的供水基础设施？
越来越多的工程师开始探索将3D打印作为一种解决方案。这项技术因其速度更快、更环保、更可定制化，在基础设施的建设和维护方面极具吸引力。但在深入探讨3D打印在该领域的作用之前，让我们先简要回顾一下什么是水利基础设施。
埃肖尔特污水处理厂安装的混凝土泵井（图片来源：Hyperion Robotics）
什么是水利基础设施？
水利基础设施对于满足社会基本需求至关重要，从维持生命到维护公众健康都离不开它。污水收集和处理对于预防疾病和保护环境也至关重要。污水处理厂是水利基础设施的关键组成部分。这些设施从河流或地下水井等地表水源收集水，并利用各种化学和物理工艺进行处理，使其达到饮用水标准。净化后的水通过由管道、水泵和储水罐组成的配水系统网络输送到目的地。使用后，这些水变成污水，必须再次处理。污水被输送到污水处理厂，在那里经过先进的工艺处理去除污染物，然后安全地排放回环境中。水库和大坝是这一庞大网络的重要组成部分，它们储存着大量的水。这些设施可用于防洪、水力发电和提供稳定的供水。
绘制所有这些基础设施的分布图绝非易事。这需要了解当地需求、环境影响、法规，当然还有成本等诸多因素。那么，增材制造在其中扮演着怎样的角色呢？
3D打印的应用
3D打印技术在水利基础设施领域有着广泛的应用。本文将探讨其主要应用领域。
基础设施组件
许多基础设施部件都可以进行3D打印。在英国，水务行业3D打印基础设施项目因其成功实施众多此类项目而备受瞩目。该项目由联合公用事业公司（United Utilities）牵头，并与ChangeMaker3D、曼彻斯特城市大学的PrintCity以及苏格兰水务公司合作开展。自2023年启动以来，该项目已开展多项研究，测试使用混凝土和聚合物进行3D打印在水务基础设施中的应用。这些研究包括打印废水喷射喷嘴、闭路电视摄像机的保护板以及用于水质监测仪器的水槽。经过严格的测试和试验，这三个部件现已投入联合公用事业公司的日常使用。此外，他们还生产了供苏格兰水务公司和联合公用事业公司使用的实验室设备。
由联合公用事业公司建造的废水池
此外，该项目还包括于2024年6月在联合公用事业公司位于威根的污水处理厂开设一个混凝土3D打印中心。该中心打印了污水溢流池、符合工业排放指令的围堰、人孔环和配水井。Printfrastructure项目展示了3D打印水利基础设施元件的多个实例，但其潜力远不止于此，联合公用事业公司计划在2025年至2030年间增加其3D打印预算便证明了这一点。
过滤和处理
除了水利基础设施本身，3D打印技术还可以用于制造水过滤和处理设备。巴斯大学的研究人员开展了一个项目来展示这种方法，他们3D打印出能够去除水中两种持久性化学物质——全氟辛酸（PFOA）和多氟烷基物质（PFAS）的陶瓷晶格结构。2024年，这些研究人员发表了他们的研究成果，表明他们制造的陶瓷结构能够去除处理水中至少75%的PFOA和PFAS。同样，荷兰皇家海军最近也成功地3D打印出了一种专为海洋环境设计的新型水过滤器。
增材制造技术也非常适用于膜过滤系统。根据2023年一项题为《用于废水处理的3D打印材料》的研究，3D打印技术已被用于制造先进的膜组件，包括生物传输体、吸附剂、催化剂，甚至整个膜。传统的膜制造需要大量有毒溶剂和单体，会产生大量的碳排放和废物。相比之下，3D打印无需排放溶剂，因此是一种更加环保的方法。
图示总结了添加剂技术在废水处理中的应用（图片来源：Roy Barman S等）。
这些膜已被用于工业废水处理，特别是降解制造业和制药业产生的有机污染物、含油废水和重金属。此外，这些膜还被用于生活用水处理和海水淡化，以回收和再利用非饮用水。
2016年，巴斯大学的研究人员率先制造出用于超滤的膜组件。此后，3D打印技术已被用于制造完整的膜（尽管不太常见），以及更常见的组件。多个组件可以组成完整的膜，而3D打印技术也一直是众多研究的主题，旨在制造以下组件：
膜间隔片：这些间隔片可建立连续的流体流动，防止膜活性层劣化并减少污染。包括选择性激光烧结(SLS)、分布式光刻(DLP)、熔融沉积成型(FDM)和聚合物喷射成型(Polyjet)在内的多种3D技术已被用于设计各种结构的间隔片，包括多层结构、螺旋结构、梯形结构等等。
光催化剂：当暴露于特定波长的光下时，光催化剂会产生活性氧（ROS），例如羟基自由基和超氧化物，这些活性氧能够氧化并分解有机污染物。这使得它们能够高效地去除水体和其他环境中的污染物。多种3D打印技术，包括熔融沉积成型（FDM）、材料喷射成型、粉末结合成型和光固化成型，已被用于制造光催化剂。
生物载体：生物载体是一种多孔材料，可用于降解有机污染物，其表面可为微生物的生长和生物膜的形成提供适宜的附着平台，从而提高污染物的降解速率。研究人员采用直接墨水书写、选择性激光烧结（SLS）和聚合物喷射打印等技术制备了生物载体。
吸附剂：吸附剂能够选择性地从液相或气相中吸附分子或离子，从而将其去除，例如氨、重金属和挥发性有机污染物。天然材料常被用作吸附剂，但已开发的吸附剂机械强度不稳定且缺乏柔韧性。相比之下，3D挤出打印、选择性激光烧结（SLS）和其他3D技术能够制造出具有高机械强度、可控孔隙率、高稳定性和卓越吸附效率的吸附剂。
技术与材料
在液压基础设施的技术和材料选择方面，一切都取决于具体应用。液压基础设施最常用的技术包括DLP（分布式光刻）、材料挤出和SLS（选择性激光烧结）。印度科学研究所材料工程系的Pratik Gavit是上述2023年研究的参与者之一。他解释说，在选择技术时，行业利益相关者必须考虑零件尺寸、所需精度、机械性能和成本。对于高精度部件，例如隔膜垫片或具有精细特征的零件，DLP或SLS通常是最佳选择，因为这些技术能够提供低于100微米的分辨率和极其光滑的表面光洁度。因此，它们非常适合复杂几何形状、内部通道以及表面粗糙度直接影响性能且需要尽可能减少后处理的应用。
对于管道、储罐或结构元件等较大的基础设施部件，材料挤出（FDM）是最具成本效益的解决方案，可提供高达约300×300×600毫米的大打印体积，并且兼容多种工程热塑性塑料，因此当零件尺寸和预算是主要限制因素时，它是理想的选择。
对于功能原型和中等批量生产，选择性激光烧结(SLS)技术在机械强度和设计自由度之间实现了良好的平衡，因为它无需支撑结构即可生产出坚固耐用的零件。这使得它尤其适用于几何形状复杂、必须承受运行应力且材料性能一致性至关重要的部件。
3D打印技术在水利基础设施方面的优势
3D打印技术在液压基础设施领域的优势因应用而异，但其某些通用特性使其极具吸引力。这些特性包括：更大的设计和定制自由度、更快的生产和部署速度、更高的耐用性、更优异的性能和更长的使用寿命，以及单个零件和小批量生产的成本节约。
联合公用事业公司告诉我们，他们从3D混凝土打印中看到的最显著优势是速度快、碳足迹小和成本节约。“例如，打印一个合流制污水溢流处理室的速度提高了60%，碳排放量减少了27%，而且成本效益很高。这些数据已由我们的碳评估顾问独立验证。”该团队表示，Printfrastructure项目总体上减少了50%的碳排放，这一节省是基于“将3D打印资产的全生命周期碳排放影响与传统建造资产的碳排放影响进行比较”得出的。
此外，联合公用事业公司表示，聚合物打印技术可以让他们打印过时的部件，从而延长过滤器的使用寿命，而且该技术还有助于快速制作原型或定制设计。“我们目前正在探索这项技术的潜力，以便在紧急情况下（例如管道爆裂）快速制造部件，从而在找到永久解决方案之前进行快速维修，”联合公用事业公司补充道。
联合公用事业公司在其日常运营中使用3D打印的污水喷射喷嘴。（图片来源：联合公用事业公司）
3D打印在水利基础设施中的局限性
虽然在供水网络中使用增材制造(AM)技术可以带来诸多优势，但采用新技术总会面临挑战。联合公用事业团队解释说，他们必须努力让人们熟悉这种施工方法，并帮助他们了解其潜在益处。“我们在威根设立打印中心，演示3D打印的实际应用，展示了混凝土结构打印的速度之快。在整个项目过程中，我们与其他水务公司、配送合作伙伴和供应商分享知识，这有助于克服一些障碍。”
前面提到的研究的作者之一Gavit将3D打印在水利基础设施领域的主要局限性分为三类：技术障碍、经济障碍和监管障碍。
技术障碍包括：
分辨率限制：目前的打印机难以制造出高级过滤所需的细小孔隙（纳米过滤需要孔径小于10纳米）；
材料限制：耐化学腐蚀、食品级且适用于饮用水应用的材料选择有限；
规模化：难以印刷尺寸大于1 x 5米的平面膜，而工业应用需要这种尺寸的平面膜。
此外，经济障碍可能表现为以下几种形式：
设备成本高昂：能够打印液压基础设施部件的工业打印机价格在20万美元到50万美元甚至更高；
降低生产速度：3D打印通常只有在小批量生产时才有利可图（每年少于1,000个零件，以利于环境保护）；
材料成本：特种印刷材料的成本为每公斤100至500美元，而传统材料的成本为每公斤10至50美元。
最后，监管方面的障碍包括：
安全认证：饮用水系统的3D打印组件必须符合NSF/ANSI标准，而目前的材料往往不符合这一标准；
长期性能验证：监管机构要求提供超过20年使用寿命的数据，但3D打印在水相关应用领域的现场经验不足10年；
质量控制标准：缺乏针对3D打印液压基础设施组件的标准化测试规程。
水利基础设施的3D打印
西安大略大学的约书亚·皮尔斯博士利用3D打印技术制作PETG管件，以优化水资源管理。（图片来源：西安大略大学）
前景
尽管面临诸多挑战，制造商们仍在不断探索增材制造在水利基础设施领域的应用。未来，我们或许会看到更多分散式的3D打印中心服务于水务公司，以及与数字孪生和预测性维护技术的融合。从实验项目到日常实践的过渡已然展开。尽管仍处于早期阶段，但这些进展预示着3D打印将在未来以更可持续的方式提供清洁安全用水方面发挥关键作用。“关键在于管理预期，”加维特先生解释道，“3D打印不会在一夜之间彻底改变水利基础设施，但它已经在特定应用领域创造了价值，并将随着材料和工艺的成熟而不断发展壮大。”
编译整理：魔猴
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