同济大学学生的探索：空间6D打印设备

2014年7月，由同济大学建筑与城规学院主办，同济大学建筑设计研究院、上海同济城市规划设计院和德稻教育协办的为期三周的上海"数字未来"暑期设计工作营。该工作营由同济大学的袁烽副教授组织策划，从2011年开始举办，至今已经办了四届。在此次工作营上，一群来自同济大学的学生创建了一个将6轴KUKA机器人与3D打印机相结合的装置，开发团队称之为6D打印，其实6D指的只是机器人的6个轴。

该团队成员包括史纪、刘浔、罗瑞华、崔宇旗、李晓琳组成，指导老师为来自清华大学的于雷和工作营负责人袁峰副教授，该团队开发的这个结合了6轴机器人的3D打印机，旨在消除“设计”和“制造”之间的界限，让建筑师快速、准确地实现他们的设计。

开发团队称：“传统的3D打印方式依照水平切片打印，而后叠合形成整体模型，这个过程仅仅反映了模型的成型状态，并没有反映结构的自然生长与建构逻辑。本项目从仿生学的角度出发，学习了蜘蛛吐丝织网的建构过程：一种由一点开始，沿着结构路径生长出复杂空间的自然建构逻辑。”

史纪介绍说：“同时，我们对传统的打印设备进行了优化：利用KUKA机器臂承载打印工具头，可在空间中沿不同路径打印空间曲线。与此同时，打印工具头采取了可变的机械设计，4个打印喷头中，3个喷头可以规律性地一张一合，据此可以改变打印过程中线材定型时的截面形状，形成和蜘蛛丝类似、具有结构强度的线材。

这些改动，与其说创新，不如说是回归：当机器臂大幅度运转、打印头一张一合、空间结构沿着3维路径慢慢生长时，正式机器技术向自然建构的回归。”

那么这个6D打印装置是如何工作的呢？其主要部分由kuka机器人以及3D打印喷头构成。6 轴机器人沿模型中的路径移动，同时3D打印喷头进行打印，依此形成空间曲面。机器手臂末端的工具头包含4个打印喷头，其中3个为活动的喷头，由附加的电路以及机械装置控制，可以在两个状态间隙摆动。工作时，沿着打印的路径上，固定的喷头可以完全拟合模型曲线，而3个活动的喷头可以一张一合，形成特殊的截面形状打印摆 动的曲线，以增强模型的结构强度

更进一步说，这个空间6D打印装置是由以下主要功能部件组成的：

1、KUKA机器人——机器手臂

KUKA6轴机器人承载3D打印工具头，在可操作的空间 中自由移动,为打印提供了多种位置与方向。在6轴机 器人的控制下，3D 打印喷头的工作方式，从以往的按照 水平与垂直层叠打印方式，变成了根据模型结构按照合 理路径的打印方式。这是符合自然界中的诸多生物（如 蜘蛛）的自然建造逻辑的。

2、KUKA 机器人——机箱

KUKA6 的运动由线下编程完成（Rhinoi-GrasshopperKUKAPrc）。使得空间 6d 打印与通用建模软件完美对接。

3、3D 打印喷头

由于按照特殊路径的 3D 打印对打印材料即时稳定的结构 性要求颇高,机器臂前端的3D打印喷头经过特殊的设计： 3个活动喷头和1个固定喷头可以打印类似于蜘蛛丝微 观结构的打印素材。这样打印成型材料可以即时定型。

4、3D 打印控制系统

整套 3D 打印系统由单独的电路控制。概括来讲，整套系 统包含供应装置，挤压运送装置，加热装置，速度、温 度控制装置以及操作面板。

5、冷却气泵

由于打印工具头工作时产生大量热量，为了使打印线材即时凝固，装置设计了冷却的系统，由空气压缩机将气 流持续大量吹向打印喷头前端，使得受热融化的ABS 线材冷却定型。

6、工作框架

打印设备工作时，要求机器人、工作头、锚固平面处于 精确的校准位置。最外层的铝型材框架保证了这一点， 同时使得整套装置更加具有系统性和完整性。