同濟(jì)大學(xué)學(xué)生的探索：空間6D打印設(shè)備

2014年7月，由同濟(jì)大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院主辦，同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院、上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院和德稻教育協(xié)辦的為期三周的上海"數(shù)字未來(lái)"暑期設(shè)計(jì)工作營(yíng)。該工作營(yíng)由同濟(jì)大學(xué)的袁烽副教授組織策劃，從2011年開始舉辦，至今已經(jīng)辦了四屆。在此次工作營(yíng)上，一群來(lái)自同濟(jì)大學(xué)的學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)將6軸KUKA機(jī)器人與3D打印機(jī)相結(jié)合的裝置，開發(fā)團(tuán)隊(duì)稱之為6D打印，其實(shí)6D指的只是機(jī)器人的6個(gè)軸。

該團(tuán)隊(duì)成員包括史紀(jì)、劉潯、羅瑞華、崔宇旗、李曉琳組成，指導(dǎo)老師為來(lái)自清華大學(xué)的于雷和工作營(yíng)負(fù)責(zé)人袁峰副教授，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這個(gè)結(jié)合了6軸機(jī)器人的3D打印機(jī)，旨在消除“設(shè)計(jì)”和“制造”之間的界限，讓建筑師快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)他們的設(shè)計(jì)。

開發(fā)團(tuán)隊(duì)稱：“傳統(tǒng)的3D打印方式依照水平切片打印，而后疊合形成整體模型，這個(gè)過(guò)程僅僅反映了模型的成型狀態(tài)，并沒(méi)有反映結(jié)構(gòu)的自然生長(zhǎng)與建構(gòu)邏輯。本項(xiàng)目從仿生學(xué)的角度出發(fā)，學(xué)習(xí)了蜘蛛吐絲織網(wǎng)的建構(gòu)過(guò)程：一種由一點(diǎn)開始，沿著結(jié)構(gòu)路徑生長(zhǎng)出復(fù)雜空間的自然建構(gòu)邏輯�！�

史紀(jì)介紹說(shuō)：“同時(shí)，我們對(duì)傳統(tǒng)的打印設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化：利用KUKA機(jī)器臂承載打印工具頭，可在空間中沿不同路徑打印空間曲線。與此同時(shí)，打印工具頭采取了可變的機(jī)械設(shè)計(jì)，4個(gè)打印噴頭中，3個(gè)噴頭可以規(guī)律性地一張一合，據(jù)此可以改變打印過(guò)程中線材定型時(shí)的截面形狀，形成和蜘蛛絲類似、具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的線材。

這些改動(dòng)，與其說(shuō)創(chuàng)新，不如說(shuō)是回歸：當(dāng)機(jī)器臂大幅度運(yùn)轉(zhuǎn)、打印頭一張一合、空間結(jié)構(gòu)沿著3維路徑慢慢生長(zhǎng)時(shí)，正式機(jī)器技術(shù)向自然建構(gòu)的回歸�！�

那么這個(gè)6D打印裝置是如何工作的呢？其主要部分由kuka機(jī)器人以及3D打印噴頭構(gòu)成。6 軸機(jī)器人沿模型中的路徑移動(dòng)，同時(shí)3D打印噴頭進(jìn)行打印，依此形成空間曲面。機(jī)器手臂末端的工具頭包含4個(gè)打印噴頭，其中3個(gè)為活動(dòng)的噴頭，由附加的電路以及機(jī)械裝置控制，可以在兩個(gè)狀態(tài)間隙擺動(dòng)。工作時(shí)，沿著打印的路徑上，固定的噴頭可以完全擬合模型曲線，而3個(gè)活動(dòng)的噴頭可以一張一合，形成特殊的截面形狀打印擺 動(dòng)的曲線，以增強(qiáng)模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

更進(jìn)一步說(shuō)，這個(gè)空間6D打印裝置是由以下主要功能部件組成的：

1、KUKA機(jī)器人——機(jī)器手臂

KUKA6軸機(jī)器人承載3D打印工具頭，在可操作的空間 中自由移動(dòng),為打印提供了多種位置與方向。在6軸機(jī) 器人的控制下，3D 打印噴頭的工作方式，從以往的按照 水平與垂直層疊打印方式，變成了根據(jù)模型結(jié)構(gòu)按照合 理路徑的打印方式。這是符合自然界中的諸多生物（如 蜘蛛）的自然建造邏輯的。

2、KUKA 機(jī)器人——機(jī)箱

KUKA6 的運(yùn)動(dòng)由線下編程完成（Rhinoi-GrasshopperKUKAPrc）。使得空間 6d 打印與通用建模軟件完美對(duì)接。

3、3D 打印噴頭

由于按照特殊路徑的 3D 打印對(duì)打印材料即時(shí)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) 性要求頗高,機(jī)器臂前端的3D打印噴頭經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)： 3個(gè)活動(dòng)噴頭和1個(gè)固定噴頭可以打印類似于蜘蛛絲微 觀結(jié)構(gòu)的打印素材。這樣打印成型材料可以即時(shí)定型。

4、3D 打印控制系統(tǒng)

整套 3D 打印系統(tǒng)由單獨(dú)的電路控制。概括來(lái)講，整套系 統(tǒng)包含供應(yīng)裝置，擠壓運(yùn)送裝置，加熱裝置，速度、溫 度控制裝置以及操作面板。

5、冷卻氣泵

由于打印工具頭工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，為了使打印線材即時(shí)凝固，裝置設(shè)計(jì)了冷卻的系統(tǒng)，由空氣壓縮機(jī)將氣 流持續(xù)大量吹向打印噴頭前端，使得受熱融化的ABS 線材冷卻定型。

6、工作框架

打印設(shè)備工作時(shí)，要求機(jī)器人、工作頭、錨固平面處于 精確的校準(zhǔn)位置。最外層的鋁型材框架保證了這一點(diǎn)， 同時(shí)使得整套裝置更加具有系統(tǒng)性和完整性。