混凝土3D打印市場潛力巨大：中交一公院“軟硬”兼?zhèn)�，從裝備研發(fā)至系統(tǒng)集成

南極熊導(dǎo)讀：有研究報(bào)告顯示，建筑3D打印市場規(guī)模將在2032年達(dá)到1000億美元（詳見《建筑3D打印市場規(guī)模將達(dá)到1000億美元？大大減少搬磚人力》）�，F(xiàn)在國內(nèi)也有十幾家廠商已經(jīng)涉足。其中有一些實(shí)力雄厚的企業(yè)單位，做出了大量成果。南極熊近期特別推出建筑3D打印系列專題內(nèi)容，揭示這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

南極熊注意到，中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司（簡稱中交一公院），自2016年成立結(jié)構(gòu)智能建造專職研發(fā)中心以來，長期致力于混凝土3D打印技術(shù)研發(fā)，圍繞全產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)原始技術(shù)創(chuàng)新。近期，南極熊將會通過連載形式，報(bào)道中交一公院在混凝土3D打印領(lǐng)域中取得的系列成果。

裝備作為混凝土3D打印技術(shù)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了打印材料的適用性、打印尺度及復(fù)雜結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的可實(shí)現(xiàn)性等方方面面。因此，中交一公院從裝備入手，開展混凝土3D打印的全技術(shù)體系研發(fā)。針對工廠預(yù)制式，相繼研制了機(jī)械臂式及龍門式混凝土3D打印機(jī)，包括適配的多類型擠出端、工具端；開展了現(xiàn)場原位混凝土3D打印裝備研發(fā)；軟件方面，研發(fā)出相對完備高效的混凝土3D打印智能控制系統(tǒng)，2022年認(rèn)定為國際領(lǐng)先水平。

那么，中交一公院是憑借哪些軟硬件成果走向國際前列的呢？

1、 基于工業(yè)機(jī)器人的混凝土3D打印裝備

中交一公院開發(fā)了機(jī)械臂3D打印裝備，基于購置的KUKA工業(yè)機(jī)器人，配置了8米外部附加軸，在原有打印范圍基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了單向6米的打印尺度擴(kuò)展，最大工作半徑2.7米。擴(kuò)展后附加軸移動速度0.5m/s，打印速度0.3m/s，重復(fù)定位精度±0.06mm，額定負(fù)載120kg。

△基于工業(yè)機(jī)器人的混凝土3D打印裝備

這套混凝土3D打印裝備主要解決以下打印難點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動精準(zhǔn)控制，尤其適用于空間曲面、薄壁、扭轉(zhuǎn)懸挑等復(fù)雜造型混凝土產(chǎn)品的打印；
（2）滿足打印、泵送、擠出耦合性高的材料及參數(shù)要求；
（3）全天無間歇打印，設(shè)備穩(wěn)定性高；
（4）配合多類型工具端及出料口使用，實(shí)現(xiàn)高精度精確控制。

△圖中為異形扭轉(zhuǎn)懸挑立柱打印，高度2.2米，單根打印時長25分鐘

2、10米大型5軸龍門混凝土3D打印裝備

中交一公院還開發(fā)了大尺度、模塊化、可擴(kuò)展的龍門式混凝土3D打印裝備，突破大尺度構(gòu)件打印技術(shù)壁壘，打印范圍10m×6m×3.6m，單向最大打印速度0.5m/s，重復(fù)定位精度±0.2mm，額定負(fù)載100kg。有效解決了大跨徑、大尺度混凝土構(gòu)件的打印難題，可實(shí)現(xiàn)全天無間歇工作，在保證高精度打印要求的前提下，為混凝土3D打印工程建設(shè)提供了更多可能性。

△大型動柱式5軸龍門混凝土3D打印裝備

△門牌石分塊構(gòu)件打印，2.6×1.6×1.8m

3、 通用型多功能混凝土3D打印工具端

據(jù)悉，實(shí)現(xiàn)初代裝備研發(fā)后，在長期的打印測試及實(shí)際工程應(yīng)用中，中交一公院對3D打印裝備工具端進(jìn)行了持續(xù)改造升級，以應(yīng)對多種多樣的打印需求、解決打印過程中的實(shí)際難題。

定型了十多種不同類型及規(guī)格的混凝土打印擠出端，并確定了相應(yīng)匹配的材料擠出速度、泵壓和機(jī)械臂移動速度，可實(shí)現(xiàn)不同截面形狀、尺寸的打印需求，拓展3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的混凝土結(jié)構(gòu)造型多樣性。

△通用型多功能混凝土3D打印工具端

工具端實(shí)現(xiàn)五代革新，具有通用性，適配機(jī)械臂式及龍門式打印裝備，實(shí)現(xiàn)了從連續(xù)到跳點(diǎn)、固定到旋轉(zhuǎn)、圓頭到矩形頭的迭代，在打印流量、精度、效率、質(zhì)量上不斷提升，獲授權(quán)專利4項(xiàng)。

（1）泵車直出式工具端：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，適用于固定圓形出口打印工況和實(shí)驗(yàn)打印測試。攻克問題：打印路徑不連續(xù)時，斷點(diǎn)處打印質(zhì)量差；

（2）同軸式可旋轉(zhuǎn)工具端：以簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)矩形擠出端打印，打印精度高，且清洗方便。攻克問題：打印質(zhì)量受泵車工作穩(wěn)定性影響大，構(gòu)件表面質(zhì)量不佳；

（3）螺桿增壓工具端：二次加壓打印材料，材料擠出更密實(shí)，構(gòu)件強(qiáng)度高。攻克問題：圓形出口的擠出成型頭打印的構(gòu)件層間接觸面積小、構(gòu)件強(qiáng)度低，大懸挑及扭轉(zhuǎn)打印易坍塌；

（4）中空軸可旋轉(zhuǎn)工具端：可實(shí)現(xiàn)多規(guī)格矩形擠出端打印，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。攻克問題：打印頭體積大，打印過程易與機(jī)械臂小臂干涉；

（5）可伸縮可旋轉(zhuǎn)工具端：集成伸縮補(bǔ)償功能、旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)更大尺度矩形截面構(gòu)件打印。攻克問題：內(nèi)置于儲料筒中的驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)易積料，存在清洗死角；長久使用旋轉(zhuǎn)精度低；受機(jī)械臂作業(yè)空間限制，不能實(shí)現(xiàn)高度較高的構(gòu)件打印。

△混凝土3D打印工具端五代革新

4、 混凝土3D打印智能控制系統(tǒng)

2022年，國內(nèi)混凝土3D打印技術(shù)的建模切片、路徑規(guī)劃、打印控制等環(huán)節(jié)的操作與執(zhí)行環(huán)節(jié)相對孤立，市場主流的切片及路徑規(guī)劃等軟件主要面向塑料等非混凝土3D打印技術(shù)，無法完全適用于混凝土3D打印技術(shù)。

于是，針對現(xiàn)有打印設(shè)備系統(tǒng)智能化程度低、設(shè)備協(xié)同控制弱、打印技術(shù)可控性差、測試數(shù)據(jù)無法大批量采集應(yīng)用、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)難于積累等難題，中交一公院在現(xiàn)有裝備的研發(fā)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了控制系統(tǒng)研究，研發(fā)出了相對完備高效的軟硬件一體化混凝土3D打印智能控制系統(tǒng)。

△混凝土3D打印軟硬件一體化智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

全工藝流程3D打印控制系統(tǒng)，基于現(xiàn)場總線架構(gòu)設(shè)計(jì)，融合機(jī)器人運(yùn)動控制、傳感、現(xiàn)代通信、工業(yè)以太網(wǎng)等前沿技術(shù)，智能集成所有相關(guān)軟、硬件，包括混凝土拌合系統(tǒng)、材料泵送系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)、3D打印工具端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)全流程全設(shè)備的控制、監(jiān)測、預(yù)警，解決了材料、環(huán)境、設(shè)備、參數(shù)實(shí)時協(xié)同及工況監(jiān)測、人機(jī)交互、安全防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)問題。

△控制系統(tǒng)智能集成所有相關(guān)軟、硬件

控制系統(tǒng)具體包括系統(tǒng)設(shè)置、運(yùn)動控制、工藝流程控制、工況監(jiān)測、數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集五大功能，實(shí)現(xiàn)了混凝土3D打印全工藝過程的安全監(jiān)控、實(shí)時反饋、數(shù)據(jù)采集、打印數(shù)據(jù)的批量采集、分析，達(dá)到3D打印核心技術(shù)工廠化多設(shè)備系統(tǒng)精準(zhǔn)協(xié)同。

△打印系統(tǒng)控制及監(jiān)測界面

其中，多指標(biāo)系統(tǒng)化實(shí)時監(jiān)測模塊包括材料余量監(jiān)測、泵速監(jiān)測、打印進(jìn)程監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等功能，顯著提高各設(shè)備系統(tǒng)的協(xié)作效率，明顯降低了核心技術(shù)人員數(shù)量依賴，大幅提高打印效率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用及核心技術(shù)應(yīng)用的可復(fù)制性。

△安全監(jiān)控系統(tǒng)

混凝土3D打印軟硬件一體化智能控制系統(tǒng)，極大提高了混凝土3D打印項(xiàng)目生產(chǎn)與項(xiàng)目管理效率，目前操作人員已從4人減少至1人，充分降低了工序復(fù)雜度，關(guān)鍵設(shè)備數(shù)控化率達(dá)到100%。智能控制系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)測模塊有效降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，各設(shè)備聯(lián)動控制顯著提高了建造效率，同時提高了產(chǎn)品的打印質(zhì)量，質(zhì)量損失率下降約20%。整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間均在100ms以內(nèi)，確保了混凝土3D打印生產(chǎn)流程的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

目前，該系統(tǒng)軟件取得軟件著作權(quán)4項(xiàng)，獲2022年陜西省優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)一等獎（計(jì)算機(jī)軟件類），被評為“國際領(lǐng)先”水平，引領(lǐng)行業(yè)前沿。

△2022年度陜西省優(yōu)秀勘察設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件獎一等獎

5、平面與空間路徑擬合控制技術(shù)

此外，中交一公院還首創(chuàng)了平面路徑和空間路徑擬合控制技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水平打印層間懸挑能力差、材料密度分布不均等不足，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜三維斜向空間、懸挑結(jié)構(gòu)多自由度靈活打印，使打印位姿和路徑走向達(dá)到最優(yōu)態(tài)，授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)。

基于自主研發(fā)的可伸縮可旋轉(zhuǎn)工具端，配合矩形擠出端使用，基于平面路徑擬合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度混凝土打印控制，技術(shù)實(shí)力達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

△平面路徑擬合技術(shù)（左） 矩形擠出端打印示意（右）

△矩形打印頭旋轉(zhuǎn)高精度打印

基于空間路徑擬合技術(shù)，斜向空間、曲面切片、懸挑造型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，輕松實(shí)現(xiàn)，效果卓越。

△基于空間路徑擬合技術(shù)實(shí)現(xiàn)曲片切片構(gòu)件打印

總結(jié)

經(jīng)過多年的持續(xù)研發(fā)，中交一公院在混凝土3D打印技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從無到有、從裝備到系統(tǒng)集成的全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，包括：

●機(jī)械臂與龍門裝備，破解復(fù)雜打印難題；
●多功能工具端，滿足多樣需求；
●軟硬件一體化智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了混凝土3D打印全流程智能監(jiān)控，提升效率，保障質(zhì)量，降低風(fēng)險(xiǎn)；
●平面與空間路徑擬合控制技術(shù)，達(dá)到異形構(gòu)件高精度建造要求。

未來，中交一公院將繼續(xù)以技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，為交通、智慧城市等領(lǐng)域注入新活力。