机械臂+移动小车，新加坡南洋理工实现超尺寸混凝土3D打印

导读：建筑3D打印目前是一个很火的方向，虽然还没有用在批量建房上，但技术在不断的进步中，未来一定会在建筑领域发挥重要的作用。

目前，我们常见的建筑3D打印机主要分为两种结构：一种是龙门式结构，另外一种是机械臂结构。

龙门结构是最常见的建筑3D打印机结构，比如南极熊此前报道过的迅实科技、盈创、太空灰、华商腾达、COBOD、中建二局等公司采用的都是龙门结构的建筑3D打印机。

△迅实科技的建筑3D打印机（龙门结构）

采用机械臂结构的建筑3D打印机单位主要有清华大学徐卫国教授、北京美斯顿等。

△北京美斯顿的机械臂建筑3D打印机

无论是龙门结构还是机械臂结构，都有着自己的有点和缺点。但在打印区域方面都有一定的限制，比如龙门结构不能在龙门架的立足点之外进行制造。机械臂系统虽然提供了更大的灵活性，但只能在手臂的可触及空间内进行打印。

有没有更加灵活的方案呢？

2020年6月29日，南极熊获悉，新加坡南洋理工大学(NTU)开发出了一种可移动的机器人平台，能够3D打印混凝土结构。

△南洋理工大学开发的混凝土3D打印机

这是一款验证型的设备，采用边打印边移动的方式，该团队的机械臂能够自行3D打印不同大小的单件结构，并完成大规模的建筑打印。机器人除了可以提高3D打印混凝土模板的规模和结构性能外，还可以使3D打印在建筑领域得到更有效的应用。

台大副教授Pham Qunag Cuong说："我们的系统安装在一个移动机器人上，机器人底座在空间移动的能力使我们的机器人能够打印出比自身更大的结构。同时，拥有一个移动的基地，这使得可以将机器人带入建筑工地并在里面更容易的移动。"

△该团队的机械臂被连接到一个整体式移动底座上，这为其提供了移动的自由

研究团队之前的工作在一定程度上解决了其他研究中遇到的可扩展性问题。利用基于手臂的打印机与一个整体式移动底座来扩大其可打印区域，该系统的设计使其不会受到体积限制和长周期等常见问题的阻碍。这些系统需要大量的预编程，包括创建多个打印路径，优先避免碰撞，因此团队发布了更新的设计。

推进他们的边移动边打印方式，研究人员使用单一的移动机器人打印机创建了任意尺寸的单件结构。在移动的同时进行3D打印，需要对这些运动进行仔细规划和协调。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。如果喷嘴位置在连续两层之间偏移超过1厘米，结构就会坍塌。尽管存在这些挑战，研究小组仍然相信，他们修改后的方法将克服以前基于臂式和龙门式设计的可扩展性限制。

设计和测试新的机械臂

该团队的系统由一个整体式移动底座和一个安装在顶部的6-DoF工业机器人机械手组成，机械手的法兰上连接着一个喷嘴，喷嘴通过软管与泵相连。移动底座和机械手手臂的协调运动是离线预先编程的，以便以逐层运动的方式打印物体。在这些计划运动的执行过程中，移动底座的位置会被实时监控，反馈控制使团队能够尽可能地跟踪这些运动。这不仅可以防止手臂和底座的潜在碰撞，而且可以在整个过程中有效地观察精度。

使用Optitrack运动捕捉系统，团队能够在空气打印过程中通过捕捉其运动来测试3D打印臂的精度。该平台的精度足以构建十层混凝土，产生与现有基础系统类似的表面效果。此外，打印线条和打印机所需路径之间的最大距离为9.8毫米，这比之前使用传统机器记录的20毫米的最佳案例要好得多。

当在生产环境中进行测试时，研究小组的平台能够创造出210厘米×45厘米×10厘米（长、宽、高）的结构，明显大于机器人手臂的触角（87厘米）。此外，在材料固化后，该结构被证明是足够坚固的，可以翻转并放在其侧面而不会破裂。

因此，研究人员认为他们的原位3D打印方法创造混凝土结构，是对之前研究的成功升级。虽然该系统被证明能够制造3D结构，但研究团队承认，他们的技术还可以改进。例如，可以通过更仔细的校准，以及在相机上安装振动隔离器来减轻靶标位置的误差，以及相机在移动过程中的振动。

研究人员的研究结果详见他们在《 Institute of Electrical and Electronic Engineers》发表的题为  “Printing-while-moving: a new paradigm for large-scale robotic 3D Printing” 的论文。该报告由Mehmet Efe Tiryaki、Xu Zhang和Quang-Cuong Pham共同撰写。

3D打印在建筑行业内的应用

近年来，无数的移动3D打印系统应运而生，目的是加速制造过程。

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，用于开发其大型六轴3D打印机器人。这款仿生手臂能够高精度打印混凝土和粘土，同时该公司还利用这款机器人协助客户进行协作设计，以及大规模的原型制造。

△XtreeE的大型六轴3D打印机器人

纽约大学（NYU）Tandon工程学院的机器人专家在2019年10月开始设计一个配备3D打印机的机器人，用于自主和移动施工。

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 "打破电网 "计划。该计划旨在通过改造3D打印机自主移动，建立更有效的方法来应对城市、社会和环境变化。

△基于无人机的3D打印系统，图片来自GXN