機械臂+移動小車，新加坡南洋理工實現(xiàn)超尺寸混凝土3D打印

導(dǎo)讀：建筑3D打印目前是一個很火的方向，雖然還沒有用在批量建房上，但技術(shù)在不斷的進步中，未來一定會在建筑領(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)，另外一種是機械臂結(jié)構(gòu)。

龍門結(jié)構(gòu)是最常見的建筑3D打印機結(jié)構(gòu)，比如南極熊此前報道過的迅實科技、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。

△迅實科技的建筑3D打印機（龍門結(jié)構(gòu)）

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

△北京美斯頓的機械臂建筑3D打印機

無論是龍門結(jié)構(gòu)還是機械臂結(jié)構(gòu)，都有著自己的有點和缺點。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之外進行制造。機械臂系統(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)出了一種可移動的機器人平臺，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

這是一款驗證型的設(shè)備，采用邊打印邊移動的方式，該團隊的機械臂能夠自行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。

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

△該團隊的機械臂被連接到一個整體式移動底座上，這為其提供了移動的自由

研究團隊之前的工作在一定程度上解決了其他研究中遇到的可擴展性問題。利用基于手臂的打印機與一個整體式移動底座來擴大其可打印區(qū)域，該系統(tǒng)的設(shè)計使其不會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)建多個打印路徑，優(yōu)先避免碰撞，因此團隊發(fā)布了更新的設(shè)計。

推進他們的邊移動邊打印方式，研究人員使用單一的移動機器人打印機創(chuàng)建了任意尺寸的單件結(jié)構(gòu)。在移動的同時進行3D打印，需要對這些運動進行仔細(xì)規(guī)劃和協(xié)調(diào)。此外，精確的機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。如果噴嘴位置在連續(xù)兩層之間偏移超過1厘米，結(jié)構(gòu)就會坍塌。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)計的可擴展性限制。

設(shè)計和測試新的機械臂

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

使用Optitrack運動捕捉系統(tǒng)，團隊能夠在空氣打印過程中通過捕捉其運動來測試3D打印臂的精度。該平臺的精度足以構(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)境中進行測試時，研究小組的平臺能夠創(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)被證明是足夠堅固的，可以翻轉(zhuǎn)并放在其側(cè)面而不會破裂。

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。雖然該系統(tǒng)被證明能夠制造3D結(jié)構(gòu)，但研究團隊承認(rèn)，他們的技術(shù)還可以改進。例如，可以通過更仔細(xì)的校準(zhǔn)，以及在相機上安裝振動隔離器來減輕靶標(biāo)位置的誤差，以及相機在移動過程中的振動。

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3D打印系統(tǒng)應(yīng)運而生，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打印機器人。這款仿生手臂能夠高精度打印混凝土和粘土，同時該公司還利用這款機器人協(xié)助客戶進行協(xié)作設(shè)計，以及大規(guī)模的原型制造。

△XtreeE的大型六軸3D打印機器人

紐約大學(xué)（NYU）Tandon工程學(xué)院的機器人專家在2019年10月開始設(shè)計一個配備3D打印機的機器人，用于自主和移動施工。

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

△基于無人機的3D打印系統(tǒng)，圖片來自GXN