機(jī)械臂+移動(dòng)小車，新加坡南洋理工實(shí)現(xiàn)超尺寸混凝土3D打印

導(dǎo)讀：建筑3D打印目前是一個(gè)很火的方向，雖然還沒有用在批量建房上，但技術(shù)在不斷的進(jìn)步中，未來一定會(huì)在建筑領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

目前，我們常見的建筑3D打印機(jī)主要分為兩種結(jié)構(gòu)：一種是龍門式結(jié)構(gòu)，另外一種是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

龍門結(jié)構(gòu)是最常見的建筑3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)，比如南極熊此前報(bào)道過的迅實(shí)科技、盈創(chuàng)、太空灰、華商騰達(dá)、COBOD、中建二局等公司采用的都是龍門結(jié)構(gòu)的建筑3D打印機(jī)。

△迅實(shí)科技的建筑3D打印機(jī)（龍門結(jié)構(gòu)）

采用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的建筑3D打印機(jī)單位主要有清華大學(xué)徐衛(wèi)國教授、北京美斯頓等。

△北京美斯頓的機(jī)械臂建筑3D打印機(jī)

無論是龍門結(jié)構(gòu)還是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，都有著自己的有點(diǎn)和缺點(diǎn)。但在打印區(qū)域方面都有一定的限制，比如龍門結(jié)構(gòu)不能在龍門架的立足點(diǎn)之外進(jìn)行制造。機(jī)械臂系統(tǒng)雖然提供了更大的靈活性，但只能在手臂的可觸及空間內(nèi)進(jìn)行打印。

有沒有更加靈活的方案呢？

2020年6月29日，南極熊獲悉，新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)開發(fā)出了一種可移動(dòng)的機(jī)器人平臺(tái)，能夠3D打印混凝土結(jié)構(gòu)。

△南洋理工大學(xué)開發(fā)的混凝土3D打印機(jī)

這是一款驗(yàn)證型的設(shè)備，采用邊打印邊移動(dòng)的方式，該團(tuán)隊(duì)的機(jī)械臂能夠自行3D打印不同大小的單件結(jié)構(gòu)，并完成大規(guī)模的建筑打印。機(jī)器人除了可以提高3D打印混凝土模板的規(guī)模和結(jié)構(gòu)性能外，還可以使3D打印在建筑領(lǐng)域得到更有效的應(yīng)用。

臺(tái)大副教授Pham Qunag Cuong說："我們的系統(tǒng)安裝在一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人上，機(jī)器人底座在空間移動(dòng)的能力使我們的機(jī)器人能夠打印出比自身更大的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，擁有一個(gè)移動(dòng)的基地，這使得可以將機(jī)器人帶入建筑工地并在里面更容易的移動(dòng)。"

△該團(tuán)隊(duì)的機(jī)械臂被連接到一個(gè)整體式移動(dòng)底座上，這為其提供了移動(dòng)的自由

研究團(tuán)隊(duì)之前的工作在一定程度上解決了其他研究中遇到的可擴(kuò)展性問題。利用基于手臂的打印機(jī)與一個(gè)整體式移動(dòng)底座來擴(kuò)大其可打印區(qū)域，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使其不會(huì)受到體積限制和長周期等常見問題的阻礙。這些系統(tǒng)需要大量的預(yù)編程，包括創(chuàng)建多個(gè)打印路徑，優(yōu)先避免碰撞，因此團(tuán)隊(duì)發(fā)布了更新的設(shè)計(jì)。

推進(jìn)他們的邊移動(dòng)邊打印方式，研究人員使用單一的移動(dòng)機(jī)器人打印機(jī)創(chuàng)建了任意尺寸的單件結(jié)構(gòu)。在移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行3D打印，需要對這些運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃和協(xié)調(diào)。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。如果噴嘴位置在連續(xù)兩層之間偏移超過1厘米，結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌。盡管存在這些挑戰(zhàn)，研究小組仍然相信，他們修改后的方法將克服以前基于臂式和龍門式設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性限制。

設(shè)計(jì)和測試新的機(jī)械臂

該團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)由一個(gè)整體式移動(dòng)底座和一個(gè)安裝在頂部的6-DoF工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手組成，機(jī)械手的法蘭上連接著一個(gè)噴嘴，噴嘴通過軟管與泵相連。移動(dòng)底座和機(jī)械手手臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)是離線預(yù)先編程的，以便以逐層運(yùn)動(dòng)的方式打印物體。在這些計(jì)劃運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行過程中，移動(dòng)底座的位置會(huì)被實(shí)時(shí)監(jiān)控，反饋控制使團(tuán)隊(duì)能夠盡可能地跟蹤這些運(yùn)動(dòng)。這不僅可以防止手臂和底座的潛在碰撞，而且可以在整個(gè)過程中有效地觀察精度。

使用Optitrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)能夠在空氣打印過程中通過捕捉其運(yùn)動(dòng)來測試3D打印臂的精度。該平臺(tái)的精度足以構(gòu)建十層混凝土，產(chǎn)生與現(xiàn)有基礎(chǔ)系統(tǒng)類似的表面效果。此外，打印線條和打印機(jī)所需路徑之間的最大距離為9.8毫米，這比之前使用傳統(tǒng)機(jī)器記錄的20毫米的最佳案例要好得多。

當(dāng)在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測試時(shí)，研究小組的平臺(tái)能夠創(chuàng)造出210厘米×45厘米×10厘米（長、寬、高）的結(jié)構(gòu)，明顯大于機(jī)器人手臂的觸角（87厘米）。此外，在材料固化后，該結(jié)構(gòu)被證明是足夠堅(jiān)固的，可以翻轉(zhuǎn)并放在其側(cè)面而不會(huì)破裂。

因此，研究人員認(rèn)為他們的原位3D打印方法創(chuàng)造混凝土結(jié)構(gòu)，是對之前研究的成功升級(jí)。雖然該系統(tǒng)被證明能夠制造3D結(jié)構(gòu)，但研究團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，他們的技術(shù)還可以改進(jìn)。例如，可以通過更仔細(xì)的校準(zhǔn)，以及在相機(jī)上安裝振動(dòng)隔離器來減輕靶標(biāo)位置的誤差，以及相機(jī)在移動(dòng)過程中的振動(dòng)。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們在《 Institute of Electrical and Electronic Engineers》發(fā)表的題為  “Printing-while-moving: a new paradigm for large-scale robotic 3D Printing” 的論文。該報(bào)告由Mehmet Efe Tiryaki、Xu Zhang和Quang-Cuong Pham共同撰寫。

3D打印在建筑行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用

近年來，無數(shù)的移動(dòng)3D打印系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，目的是加速制造過程。

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)其大型六軸3D打印機(jī)器人。這款仿生手臂能夠高精度打印混凝土和粘土，同時(shí)該公司還利用這款機(jī)器人協(xié)助客戶進(jìn)行協(xié)作設(shè)計(jì)，以及大規(guī)模的原型制造。

△XtreeE的大型六軸3D打印機(jī)器人

紐約大學(xué)（NYU）Tandon工程學(xué)院的機(jī)器人專家在2019年10月開始設(shè)計(jì)一個(gè)配備3D打印機(jī)的機(jī)器人，用于自主和移動(dòng)施工。

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 "打破電網(wǎng) "計(jì)劃。該計(jì)劃旨在通過改造3D打印機(jī)自主移動(dòng)，建立更有效的方法來應(yīng)對城市、社會(huì)和環(huán)境變化。

△基于無人機(jī)的3D打印系統(tǒng)，圖片來自GXN