南洋大学研究人员使用3D打印机器人来生产混凝土建筑

来源：中国3D打印网

新加坡南洋理工大学（NTU）的科学家开发了一个单机器人工业平台，该平台使用增材制造（AM）来创建混凝土结构。该团队的机械臂采用移动打印的方法，能够单独进行3D打印不同尺寸的单件结构，并完成大规模的建筑打印。该机器人的发展除了可以扩大3D打印的混凝土结构的规模和结构特性外，还可以使其在建筑领域更有效地应用AM。

“我们的系统安装在移动机器人上”。 NTU副教授Pham Qunag Cuong说：“通过在空中移动机器人基座的能力，我们的机器人可以打印比自身更大的结构。” “此外，拥有可移动的底座还可以更轻松地将机器人带入施工现场并在内部移动。”

在混凝土生产中利用3D打印
3D打印材料和系统设计方面的进步带来了全自动施工的前景，但可扩展性仍然是在建筑和施工中广泛采用AM的主要障碍。对于许多现有的龙门和基于臂的打印系统，它们可以打印的结构的大小受龙门的有限体积或机器人手臂的作用范围的限制。虽然某些3D打印机已安装到移动平台上，但仅在系统静止时才可以执行打印，从而限制了可以单次生产的结构的尺寸。

基于龙门的3D打印机由于与传统的增材制造方法相似且易于编程，因此通常用于执行与建筑相关的任务。但是，这些机器还有其他缺点，例如这些系统的打印区域，无法在机架的立足距离之外制造，并且它们的重量要求预先安装。基于手臂的系统提供了更大的灵活性，但是它们也受到限制，并且只能在手臂的可触及空间内打印。

研究小组之前的工作已经解决了其他研究中遇到的可扩展性问题。该系统的设计采用了具有完整移动底座的多臂式打印机来扩大其可打印区域，因此设计该系统使其不会因体积限制和交货时间长等常见问题而受阻。这些系统需要大量的预编程，包括创建优先考虑避免碰撞的多个打印路径，因此该团队发布了更新的设计。

为了提高他们的“边移动边打印”范式，研究人员使用单个移动机器人打印机创建了任意大小的单件结构。在移动的同时进行3D打印需要仔细计划和协调这些动作。此外，精确的机器人定位和反馈运动控制对于确保喷嘴以正确的速度沉积混凝土至关重要。如果喷嘴位置在两个连续的层之间偏移超过1 cm，则结构可能会塌陷。尽管存在这些挑战，研究团队仍然相信，他们的修改方法将克服以前基于臂和龙门架设计的可扩展性限制。


团队的机械臂连接到完整的移动底座上，提供了活动的自由度

构造和测试新的机械臂
该团队的新系统包括一个完整的移动基座，顶部安装了一个6自由度的工业机器人机械手，机械手的法兰上附有一个喷嘴，通过软管与泵相连。移动基座和机械臂的协调运动是离线预编程的，以一层一层的运动打印对象。在执行这些计划的运动期间，移动基地的位置被实时监控，反馈控制使团队能够尽可能紧密地跟踪运动。这不仅防止潜在的碰撞与手臂和基地，但允许精度，以有效观察整个过程。

通过使用Optitrack运动捕捉系统，该团队能够通过在空中打印过程中捕捉3D打印臂的运动来测试3D打印臂的精度。该平台足够精确，可以构建十层混凝土，产生的外观与现有基础系统相似。此外，发现装配线与打印机所需路径之间的最大距离为9.8毫米，这比以前使用传统机器记录的最佳情况20毫米要好得多。

在生产环境中进行测试时，研究团队的平台能够创建210厘米×45厘米×10厘米（长，宽，高）的结构，该结构明显大于机器人手臂的可及范围（87厘米）。而且，在材料固化之后，该结构被证明具有足够的坚固性，可以翻转并放在其侧面而不会破裂。

结果，研究人员认为他们的原位3D打印方法可以创建混凝土结构，这是他们先前研究的成功升级。尽管该系统证明可以制造3D结构，但研究小组承认仍可以改进其技术。例如，可以通过更仔细的校准以及在相机上安装隔振器来减轻基准标记位置的误差以及摄像机在移动过程中的振动。

尽管如此，该团队采用这种新方法所带来的生产率和准确性优势仍然可以允许使用3D打印以更快的速度创建更复杂的结构，如Cuong解释说：“我们正计划向我们的机器人添加协作功能。这样做的想法是让操作人员用手拿着机器人，然后将其沿建筑工地移向所需位置，并引导其实现高精度组装。”

建筑行业的3D打印
近年来，为了加速制造过程，已经创建了很多的移动3D打印系统。例如，巴黎大型3D打印公司XtreeE在2019年6月获得了投资者TTWiiN Investment Partners的资金，用于开发大型六轴3D打印机器人。仿生臂能够高精度地打印混凝土和粘土，而该公司还使用该机器人来协助客户进行协同设计和大规模原型制造。

纽约大学坦顿工程学院的机器人专家于2019年10月开始设计一组配备3D打印机的机器人，用于自主和移动建筑。移动3D打印机旨在通过称为“集体添加剂”的概念进行团队合作制造（CAM）。

丹麦建筑公司3XN的独立研究子公司GXN Innovation于2019年7月启动了“打破网格”计划。该计划旨在通过修改3D打印机以自主移动的方式，建立应对城市，社会和环境变化的更有效方法。 。

研究人员的发现在由电气和电子工程师协会发表的题为“移动时打印：大型机器人3D打印的新范例”的论文中进行了详细介绍。该报告由Mehmet Efe Tiryaki，Xu Zhang和Quang-Cuong Pham合著。