南洋大學(xué)研究人員使用3D打印機(jī)器人來生產(chǎn)混凝土建筑

來源：中國3D打印網(wǎng)

新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的科學(xué)家開發(fā)了一個(gè)單機(jī)器人工業(yè)平臺(tái)，該平臺(tái)使用增材制造（AM）來創(chuàng)建混凝土結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)的機(jī)械臂采用移動(dòng)打印的方法，能夠單獨(dú)進(jìn)行3D打印不同尺寸的單件結(jié)構(gòu)，并完成大規(guī)模的建筑打印。該機(jī)器人的發(fā)展除了可以擴(kuò)大3D打印的混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)特性外，還可以使其在建筑領(lǐng)域更有效地應(yīng)用AM。

“我們的系統(tǒng)安裝在移動(dòng)機(jī)器人上”。 NTU副教授Pham Qunag Cuong說：“通過在空中移動(dòng)機(jī)器人基座的能力，我們的機(jī)器人可以打印比自身更大的結(jié)構(gòu)�！� “此外，擁有可移動(dòng)的底座還可以更輕松地將機(jī)器人帶入施工現(xiàn)場并在內(nèi)部移動(dòng)。”

在混凝土生產(chǎn)中利用3D打印
3D打印材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步帶來了全自動(dòng)施工的前景，但可擴(kuò)展性仍然是在建筑和施工中廣泛采用AM的主要障礙。對于許多現(xiàn)有的龍門和基于臂的打印系統(tǒng)，它們可以打印的結(jié)構(gòu)的大小受龍門的有限體積或機(jī)器人手臂的作用范圍的限制。雖然某些3D打印機(jī)已安裝到移動(dòng)平臺(tái)上，但僅在系統(tǒng)靜止時(shí)才可以執(zhí)行打印，從而限制了可以單次生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的尺寸。

基于龍門的3D打印機(jī)由于與傳統(tǒng)的增材制造方法相似且易于編程，因此通常用于執(zhí)行與建筑相關(guān)的任務(wù)。但是，這些機(jī)器還有其他缺點(diǎn)，例如這些系統(tǒng)的打印區(qū)域，無法在機(jī)架的立足距離之外制造，并且它們的重量要求預(yù)先安裝�；�于手臂的系統(tǒng)提供了更大的靈活性，但是它們也受到限制，并且只能在手臂的可觸及空間內(nèi)打印。

研究小組之前的工作已經(jīng)解決了其他研究中遇到的可擴(kuò)展性問題。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了具有完整移動(dòng)底座的多臂式打印機(jī)來擴(kuò)大其可打印區(qū)域，因此設(shè)計(jì)該系統(tǒng)使其不會(huì)因體積限制和交貨時(shí)間長等常見問題而受阻。這些系統(tǒng)需要大量的預(yù)編程，包括創(chuàng)建優(yōu)先考慮避免碰撞的多個(gè)打印路徑，因此該團(tuán)隊(duì)發(fā)布了更新的設(shè)計(jì)。

為了提高他們的“邊移動(dòng)邊打印”范式，研究人員使用單個(gè)移動(dòng)機(jī)器人打印機(jī)創(chuàng)建了任意大小的單件結(jié)構(gòu)。在移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行3D打印需要仔細(xì)計(jì)劃和協(xié)調(diào)這些動(dòng)作。此外，精確的機(jī)器人定位和反饋運(yùn)動(dòng)控制對于確保噴嘴以正確的速度沉積混凝土至關(guān)重要。如果噴嘴位置在兩個(gè)連續(xù)的層之間偏移超過1 cm，則結(jié)構(gòu)可能會(huì)塌陷。盡管存在這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)仍然相信，他們的修改方法將克服以前基于臂和龍門架設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性限制。


團(tuán)隊(duì)的機(jī)械臂連接到完整的移動(dòng)底座上，提供了活動(dòng)的自由度

構(gòu)造和測試新的機(jī)械臂
該團(tuán)隊(duì)的新系統(tǒng)包括一個(gè)完整的移動(dòng)基座，頂部安裝了一個(gè)6自由度的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手，機(jī)械手的法蘭上附有一個(gè)噴嘴，通過軟管與泵相連。移動(dòng)基座和機(jī)械臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)是離線預(yù)編程的，以一層一層的運(yùn)動(dòng)打印對象。在執(zhí)行這些計(jì)劃的運(yùn)動(dòng)期間，移動(dòng)基地的位置被實(shí)時(shí)監(jiān)控，反饋控制使團(tuán)隊(duì)能夠盡可能緊密地跟蹤運(yùn)動(dòng)。這不僅防止?jié)撛诘呐鲎才c手臂和基地，但允許精度，以有效觀察整個(gè)過程。

通過使用Optitrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)能夠通過在空中打印過程中捕捉3D打印臂的運(yùn)動(dòng)來測試3D打印臂的精度。該平臺(tái)足夠精確，可以構(gòu)建十層混凝土，產(chǎn)生的外觀與現(xiàn)有基礎(chǔ)系統(tǒng)相似。此外，發(fā)現(xiàn)裝配線與打印機(jī)所需路徑之間的最大距離為9.8毫米，這比以前使用傳統(tǒng)機(jī)器記錄的最佳情況20毫米要好得多。

在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測試時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)的平臺(tái)能夠創(chuàng)建210厘米×45厘米×10厘米（長，寬，高）的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)明顯大于機(jī)器人手臂的可及范圍（87厘米）。而且，在材料固化之后，該結(jié)構(gòu)被證明具有足夠的堅(jiān)固性，可以翻轉(zhuǎn)并放在其側(cè)面而不會(huì)破裂。

結(jié)果，研究人員認(rèn)為他們的原位3D打印方法可以創(chuàng)建混凝土結(jié)構(gòu)，這是他們先前研究的成功升級。盡管該系統(tǒng)證明可以制造3D結(jié)構(gòu)，但研究小組承認(rèn)仍可以改進(jìn)其技術(shù)。例如，可以通過更仔細(xì)的校準(zhǔn)以及在相機(jī)上安裝隔振器來減輕基準(zhǔn)標(biāo)記位置的誤差以及攝像機(jī)在移動(dòng)過程中的振動(dòng)。

盡管如此，該團(tuán)隊(duì)采用這種新方法所帶來的生產(chǎn)率和準(zhǔn)確性優(yōu)勢仍然可以允許使用3D打印以更快的速度創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如Cuong解釋說：“我們正計(jì)劃向我們的機(jī)器人添加協(xié)作功能。這樣做的想法是讓操作人員用手拿著機(jī)器人，然后將其沿建筑工地移向所需位置，并引導(dǎo)其實(shí)現(xiàn)高精度組裝�！�

建筑行業(yè)的3D打印
近年來，為了加速制造過程，已經(jīng)創(chuàng)建了很多的移動(dòng)3D打印系統(tǒng)。例如，巴黎大型3D打印公司XtreeE在2019年6月獲得了投資者TTWiiN Investment Partners的資金，用于開發(fā)大型六軸3D打印機(jī)器人。仿生臂能夠高精度地打印混凝土和粘土，而該公司還使用該機(jī)器人來協(xié)助客戶進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和大規(guī)模原型制造。

紐約大學(xué)坦頓工程學(xué)院的機(jī)器人專家于2019年10月開始設(shè)計(jì)一組配備3D打印機(jī)的機(jī)器人，用于自主和移動(dòng)建筑。移動(dòng)3D打印機(jī)旨在通過稱為“集體添加劑”的概念進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作制造（CAM）。

丹麥建筑公司3XN的獨(dú)立研究子公司GXN Innovation于2019年7月啟動(dòng)了“打破網(wǎng)格”計(jì)劃。該計(jì)劃旨在通過修改3D打印機(jī)以自主移動(dòng)的方式，建立應(yīng)對城市，社會(huì)和環(huán)境變化的更有效方法。 。

研究人員的發(fā)現(xiàn)在由電氣和電子工程師協(xié)會(huì)發(fā)表的題為“移動(dòng)時(shí)打�。捍笮蜋C(jī)器人3D打印的新范例”的論文中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該報(bào)告由Mehmet Efe Tiryaki，Xu Zhang和Quang-Cuong Pham合著。