機(jī)械臂+移動(dòng)小車(chē)，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(méi)有用在批量建房上,，但技術(shù)在不斷的進(jìn)步中,，未來(lái)一定會(huì)在建筑領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

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

龍門(mén)結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的建筑3D打印機(jī)結(jié)構(gòu),，比如南極熊此前報(bào)道過(guò)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(mén)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(mén)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(guó)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(wú)論是龍門(mén)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(mén)結(jié)構(gòu)不能在龍門(mén)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(méi)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(kāi)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(kāi)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(shuō)："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(wèn)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(lái)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(zhǎng)周期等常見(jiàn)問(wèn)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(duì)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(duì)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(guò)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(mén)式設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性限制,。

設(shè)計(jì)和測(cè)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)程中有效地觀(guān)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(guò)程中通過(guò)捕捉其運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)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(lèi)似的表面效果。此外,，打印線(xiàn)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(cè)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(zhǎng),、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(duì)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(guò)更仔細(xì)的校準(zhǔn),，以及在相機(jī)上安裝振動(dòng)隔離器來(lái)減輕靶標(biāo)位置的誤差，以及相機(jī)在移動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng),。

研究人員的研究結(jié)果詳見(jiàn)他們?cè)凇?font color="#525252"> 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(xiě),。

3D打印在建筑行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用

近年來(lái),，無(wú)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(guò)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(kāi)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(hù)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(zhuān)家在2019年10月開(kāi)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(guò)改造3D打印機(jī)自主移動(dòng)，建立更有效的方法來(lái)應(yīng)對(duì)城市,、社會(huì)和環(huán)境變化,。

△基于無(wú)人機(jī)的3D打印系統(tǒng)，圖片來(lái)自GXN