南洋大學研究人員使用3D打印機器人加速混凝土生產

魔猴君  行業資訊   1764天前

新加坡南洋理工大學（NTU）的科學家開發了一個單機器人工業平臺，該平臺使用增材制造（AM）來創建混凝土結構。該團隊的機械臂采用移動打印的方法，能夠單獨進行3D打印不同尺寸的單件結構，并完成大規模的建筑打印。該機器人的發展除了可以擴大3D打印的混凝土結構的規模和結構特性外，還可以使其在建筑領域更有效地應用AM。

“我們的系統安裝在移動機器人上?！?NTU副教授Pham Qunag Cuong說：“通過在空中移動機器人基座的能力，我們的機器人可以打印比自身更大的結構。此外，擁有可移動的底座還可以更輕松地將機器人帶入施工現場并在內部移動?！?/span>

在混凝土生產中利用3D打印

3D打印材料和系統設計方面的進步帶來了全自動施工的前景，但可擴展性仍然是在建筑和施工中廣泛采用AM的主要障礙。對于許多現有的龍門和基于臂的打印系統，它們可以打印的結構的大小受龍門的有限體積或機器人手臂的作用范圍的限制。雖然某些3D打印機已安裝到移動平臺上，但僅在系統靜止時才可以執行打印，從而限制了可以單次生產的結構的尺寸。

基于龍門的3D打印機由于與傳統的增材制造方法相似且易于編程，因此通常用于執行與建筑相關的任務。但是，這些機器還有其他缺點，例如這些系統的印刷區域，無法在機架的立足距離之外制造，并且它們的重量要求預先安裝?；谑直鄣南到y提供了更大的靈活性，但是它們也受到限制，并且只能在手臂的可觸及空間內打印。

研究小組之前的工作已經解決了其他研究中遇到的可擴展性問題。該系統的設計采用了具有完整移動底座的多臂式打印機來擴大其可打印區域，因此設計該系統使其不會因體積限制和交貨時間長等常見問題而受阻。這些系統需要大量的預編程，包括創建優先考慮避免碰撞的多個打印路徑，因此該團隊發布了更新的設計。

為了提高他們的“邊移動邊打印”范式，研究人員使用單個移動機器人打印機創建了任意大小的單件結構。在移動的同時進行3D打印需要仔細計劃和協調這些動作。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重要。如果噴嘴位置在兩個連續的層之間偏移超過1 cm，則結構可能會塌陷。盡管存在這些挑戰，研究團隊仍然相信，他們的修改方法將克服以前基于臂和龍門架設計的可擴展性限制。

團隊的機械臂固定在完整的移動基座上，從而可以自由移動。圖片來自電氣和電子工程師協會。

構造和測試新的機械臂

該團隊的新型系統包括一個完整的移動基座，其頂部裝有一個6自由度工業機器人操縱器，噴嘴附接到操縱器的法蘭，該法蘭通過軟管連接到泵。移動基座和機械臂的協調運動已離線離線編程，以逐層運動方式打印對象。在執行這些計劃的動作期間，將實時監控移動基地的位置，并且反饋控制使團隊能夠盡可能緊密地跟蹤動作。這不僅可以防止與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。

通過使用Optitrack運動捕捉系統，該團隊能夠通過在空中打印過程中捕捉3D打印臂的運動來測試3D打印臂的精度。該平臺足夠精確，可以構建十層混凝土，產生的外觀與現有基礎系統相似。此外，發現裝配線與打印機所需路徑之間的最大距離為9.8毫米，這比以前使用傳統機器記錄的最佳情況20毫米要好得多。

在生產環境中進行測試時，研究團隊的平臺能夠創建210厘米×45厘米×10厘米（長，寬，高）的結構，該結構明顯大于機器人手臂的可及范圍（87厘米）。而且，在材料固化之后，該結構被證明具有足夠的堅固性，可以翻轉并放在其側面而不會破裂。

結果，研究人員認為他們的原位3D打印方法可以創建混凝土結構，這是他們先前研究的成功升級。盡管該系統證明可以制造3D結構，但研究小組承認仍可以改進其技術。例如，可以通過更仔細的校準以及在相機上安裝隔振器來減輕基準標記位置的誤差以及攝像機在移動過程中的振動。

盡管如此，該團隊采用這種新方法所帶來的生產率和準確性優勢仍然可以允許使用3D打印以更快的速度創建更復雜的結構，如Cuong解釋說：“我們正計劃向我們的機器人添加協作功能。這樣做的想法是讓操作人員用手拿著機器人，然后將其沿建筑工地移向所需位置，并引導其實現高精度組裝?！?/span>

建筑行業的3D打印

近年來，為了加速制造過程，已經創建了無數的移動3D打印系統。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，用于開發大型六軸3D打印機器人。仿生臂能夠高精度地印刷混凝土和粘土，而該公司還使用該機器人來協助客戶進行協同設計和大規模原型制造。

紐約大學坦頓工程學院的機器人專家于2019年10月開始設計一組配備3D打印機的機器人，用于自主和移動建筑。移動3D打印機旨在通過稱為“集體添加劑”的概念進行團隊合作制造（CAM）。

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“打破網格”計劃。該計劃旨在通過修改3D打印機以自主移動的方式，建立應對城市，社會和環境變化的更有效方法。 

來源：網譯文章