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)了一個單機(jī)器人工業(yè)平臺，該平臺使用增材制造（AM）來創(chuàng)建混凝土結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊的機(jī)械臂采用移動打印的方法，能夠單獨進(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)安裝在移動機(jī)器人上”。 NTU副教授Pham Qunag Cuong說：“通過在空中移動機(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�！�

在混凝土生產(chǎn)中利用3D打印
3D打印材料和系統(tǒng)設(shè)計方面的進(jìn)步帶來了全自動施工的前景，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)已安裝到移動平臺上，但僅在系統(tǒng)靜止時才可以執(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，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)計采用了具有完整移動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)計該系統(tǒng)使其不會因體積限制和交貨時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打印路徑，因此該團(tuán)隊發(fā)布了更新的設(shè)計。

為了提高他們的“邊移動邊打印”范式，研究人員使用單個移動機(jī)器人打印機(jī)創(chuàng)建了任意大小的單件結(jié)構(gòu)。在移動的同時進(jìn)行3D打印需要仔細(xì)計劃和協(xié)調(diào)這些動作。此外，精確的機(jī)器人定位和反饋運動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連續(xù)的層之間偏移超過1 cm，則結(jié)構(gòu)可能會塌陷。盡管存在這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊仍然相信，他們的修改方法將克服以前基于臂和龍門架設(shè)計的可擴(kuò)展性限制。


團(tuán)隊的機(jī)械臂連接到完整的移動底座上，提供了活動的自由度

構(gòu)造和測試新的機(jī)械臂
該團(tuán)隊的新系統(tǒng)包括一個完整的移動基座，頂部安裝了一個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噴嘴，通過軟管與泵相連。移動基座和機(jī)械臂的協(xié)調(diào)運動是離線預(yù)編程的，以一層一層的運動打印對象。在執(zhí)行這些計劃的運動期間，移動基地的位置被實時監(jiān)控，反饋控制使團(tuán)隊能夠盡可能緊密地跟蹤運動。這不僅防止?jié)撛诘呐鲎才c手臂和基地，但允許精度，以有效觀察整個過程。

通過使用Optitrack運動捕捉系統(tǒng)，該團(tuán)隊能夠通過在空中打印過程中捕捉3D打印臂的運動來測試3D打印臂的精度。該平臺足夠精確，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，研究團(tuán)隊的平臺能夠創(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固性，可以翻轉(zhuǎn)并放在其側(cè)面而不會破裂。

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)在移動過程中的振動。

盡管如此，該團(tuán)隊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)計一組配備3D打印機(jī)的機(jī)器人，用于自主和移動建筑。移動3D打印機(jī)旨在通過稱為“集體添加劑”的概念進(jìn)行團(tuán)隊合作制造（CAM）。

丹麥建筑公司3XN的獨立研究子公司GXN Innovation于2019年7月啟動了“打破網(wǎng)格”計劃。該計劃旨在通過修改3D打印機(jī)以自主移動的方式，建立應(yīng)對城市，社會和環(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)會發(fā)表的題為“移動時打�。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。該報告由Mehmet Efe Tiryaki，Xu Zhang和Quang-Cuong Pham合著。