新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的科學(xué)家開發(fā)了一個單機器人工業(yè)平臺，該平臺使用增材制造（AM）來創(chuàng)建混凝土結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，并完成大規(guī)模的建筑打印。該機器人的發(fā)展除了可以擴大3D打印的混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)特性外，還可以使其在建筑領(lǐng)域更有效地應(yīng)用AM。

“我們的系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。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(xiàn)場并在內(nèi)部移動?！?/span>

在混凝土生產(chǎn)中利用3D打印

3D打印材料和系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)有的龍門和基于臂的打印系統(tǒng)，它們可以打印的結(jié)構(gòu)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(tǒng)靜止時才可以執(zhí)行打印，從而限制了可以單次生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的尺寸。

研究小組之前的工作已經(jīng)解決了其他研究中遇到的可擴展性問題。該系統(tǒng)的設(shè)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(qū)域，因此設(shè)計該系統(tǒng)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(tǒng)需要大量的預(yù)編程，包括創(chuàng)建優(yōu)先考慮避免碰撞的多個打印路徑，因此該團隊發(fā)布了更新的設(shè)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(chuàng)建了任意大小的單件結(jié)構(gòu)。在移動的同時進行3D打印需要仔細計劃和協(xié)調(diào)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(guān)重要。如果噴嘴位置在兩個連續(xù)的層之間偏移超過1 cm，則結(jié)構(gòu)可能會塌陷。盡管存在這些挑戰(zhàn)，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(shè)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(xié)會。

構(gòu)造和測試新的機械臂

通過使用Optitrack運動捕捉系統(tǒng)，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(gòu)建十層混凝土，產(chǎn)生的外觀與現(xiàn)有基礎(chǔ)系統(tǒng)相似。此外，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)機器記錄的最佳情況20毫米要好得多。

在生產(chǎn)環(huán)境中進行測試時，研究團隊的平臺能夠創(chuàng)建210厘米×45厘米×10厘米（長，寬，高）的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)被證明具有足夠的堅固性，可以翻轉(zhuǎn)并放在其側(cè)面而不會破裂。

盡管如此，該團隊采用這種新方法所帶來的生產(chǎn)率和準確性優(yōu)勢仍然可以允許使用3D打印以更快的速度創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如Cuong解釋說：“我們正計劃向我們的機器人添加協(xié)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(dǎo)其實現(xiàn)高精度組裝?！?/span>

建筑行業(yè)的3D打印

紐約大學(xué)坦頓工程學(xué)院的機器人專家于2019年10月開始設(shè)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）。