打印建筑物不再是梦想

3D打印机在建筑施工、打印预制构件然后送往施工现场方面大有前途。捷克利贝雷茨技术大学的一个研究项目旨在制造一种可以直接在现场打印建筑物的移动机器人。该团队正在使用贝加莱控制系统、驱动器、HMI和软件解决方案来控制创新的机器人的先进打印头。

建筑中使用的第一批3D打印机在设计过程中起到了辅助作用：制作塑料演示模型。现在，大型打印机正在开始制造用于建造实际建筑物的混凝土构件。而在捷克利贝雷茨技术大学，一个研究小组已经在为发展的下一步做准备：将在建筑工地进行打印的移动机器人。

3D打印有望在建筑施工领域产生令人振奋的效益。建筑构件现在是用混凝土和加固材料混合打印而成。新的设计可能性正在激发建筑师的创造力，而且构件的生产也在变得越来越经济。由于它们不需要传统整体结构所需的广泛的模板工程，因此也就减少了浪费。

尽管这些实验方法令人振奋，但是目前的工艺发展水平仍然存在不少缺点。构件在工厂制造出来，然后必须运到施工现场。用于运输的车辆对构件的尺寸造成了限制，并产生了相当大的物流成本和环境影响。目前的系统也只能打印垂直的建筑元素，而地板和天花板等水平板还是使用传统方法建造。

捷克利贝雷茨技术大学的3D Star研究项目旨在克服这些缺点，直接在建筑工地上打印整个多层建筑，包括地板和天花板。他们将使用一种叫做“打印螳螂”的移动式3D打印机器人来做这件事，之所以叫“打印螳螂”是因为机器人手臂与螳螂伸长的前腿相似。该项目是与捷克科学院信息理论与自动化研究所以及捷克理工大学Klokner研究所合作进行的，将会采用贝加莱控制器、驱动器、HMI和软件。

来自利贝雷茨技术大学艺术与建筑学院的Jiří Suchomel预测，使用“打印螳螂”进行现场打印，将使建筑师发挥更大的创造力，以前所未有的2至3毫米精度实现复杂的形状。机器人将在现场组装多层建筑，就像大型乐高作品一样。“水平板将在地面上打印并吊装到位，而垂直的墙壁将直接打印在其最终位置，”Suchomel描述道。“所有这些都在现场进行。”

水泥生产对环境有重大影响，而且为制造混凝土而添加的集料和砾石也供应有限。“这就是为什么我们要通过非常规加固来建造轻薄的混凝土结构的原因，”Suchomel解释道。“这将显著减少材料消耗。”

我们大多数人都熟悉使用粉末和塑料的3D打印机。另一方面，调整设计以打印房屋不只是简单地用传统混凝土取代这些材料，还涉及到很多。单单水泥混合物就是一项重大挑战。它必须足够柔性，易于处理，而且凝固速度需要足够快，以支撑后续的水泥层。普通混凝土的养护时间为28天，但是打印结构必须能够立即支撑起来。

另一个关键挑战是如何让机器人能够打印几乎任何曲率的墙壁，包括拐点，并实现锐角和中断。“这很重要，这样我们就能赋予建筑师最大自由，”利贝雷茨技术大学机电与计算机工程研究所副教授Václav Záda说道，他是Con4Bot的首席设计师。得益于Con4Bot的设计，当末端执行器短暂停止打印时，例如为门或窗留出空间时，机器人的其余部分可以继续移动。“大型机器人能够保持其强大动能，”Záda说道，“这是其它机器做不到的。”

当“打印螳螂”完成后，它将是一个可旋转和滑动的机器人手臂，水平工作范围可达5.6米，垂直工作范围可达3.3米。该项目使用两种测试设置在进行。第一种是SCARA机器人。目前正在以1:4的缩放比例进行测试，原尺寸版本之后将由标准施工卡车运输。第二种是Klokner研究所的笛卡尔机器人，研究人员正在那里测试和开发打印头以及不同的建筑材料混合物。

经过与贝加莱的十年合作，研究团队知道自动化组件不仅可以提供必要的性能，而且还能在未来的开发和实施阶段与机器人一起发展。“我们创建了一个自动化解决方案，它可以应对今后出现的任何新需求，”贝加莱工程师Tomáš Kohout说道。

驱动系统包括带有绝对式多圈编码器的轴、伺服电机、模块化控制系统和高级安全功能。“集成的贝加莱运动控制系统使解决方案非常适合设计师和未来的操作员，”来自利贝雷茨技术大学机电与计算机工程研究所的Leoš Beran说道。“未来，解决方案极具可扩展性，这对像这样的尖端研究项目来说尤其重要。”

机器人的打印头末端执行器由贝加莱控制系统操作。3D打印软件的核心是基于标准的贝加莱CNC组件。此外，贝加莱的mapp技术工具包还提供了现成的软件组件，使团队不必编写诸如配方处理和用户管理之类的基本功能。

控制软件运行在性能强劲的贝加莱Automation PC系列工业PC上。“除了控制软件之外，Automation PC还将运行基于Web的HMI应用程序，”Kohout说道。HMI应用程序显示在摇臂安装的带有自定义操作元素的Automation Panel 5000上。“高端HMI提供了高灵活性和人性化控制，”Kohout说道，“基于Web的HMI应用程序可以在PC、智能手机或平板电脑上轻松地查看。”

“打印螳螂”将在何时何地现场创建其第一座多层建筑仍有待观察。这其中取决于针对打印结构的建筑法规的进展。但是，有一点可以肯定：研究团队将贝加莱视为自动化合作伙伴，因而可以采用广泛的灵活、可扩展的解决方案 – 而且可以使“打印螳螂”快速、轻松地适应打印未来建筑物时遇到的任何挑战。