混凝土3D打印市場潛力巨大：中交一公院“軟硬”兼備，從裝備研發至系統集成
時間：2024-11-09 09:40 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：有研究報告顯示，建筑3D打印市場規模將在2032年達到1000億美元（詳見《建筑3D打印市場規模將達到1000億美元？大大減少搬磚人力》）。現在國內也有十幾家廠商已經涉足。其中有一些實力雄厚的企業單位，做出了大量成果。南極熊近期特別推出建筑3D打印系列專題內容，揭示這一領域的最新進展。
中交第一公路勘察設計研究院有限公司（簡稱中交一公院），自2016年成立結構智能建造專職研發中心以來，長期致力于混凝土3D打印技術研發，圍繞全產業鏈實現原始技術創新。近期，南極熊將會通過連載形式，報道中交一公院在混凝土3D打印領域中取得的系列成果。
裝備作為混凝土3D打印技術鏈中的關鍵環節，決定了打印材料的適用性、打印尺度及復雜結構及構造的可實現性等方方面面。因此，中交一公院從裝備入手，開展混凝土3D打印的全技術體系研發。針對工廠預制式，相繼研制了機械臂式及龍門式混凝土3D打印機，包括適配的多類型擠出端、工具端；開展了現場原位混凝土3D打印裝備研發；軟件方面，研發出相對完備高效的混凝土3D打印智能控制系統，2022年認定為國際領先水平。
那么，中交一公院是憑借哪些軟硬件成果走向國際前列的呢？
1、 基于工業機器人的混凝土3D打印裝備
中交一公院開發了機械臂3D打印裝備，基于購置的KUKA工業機器人，配置了8米外部附加軸，在原有打印范圍基礎上實現了單向6米的打印尺度擴展，最大工作半徑2.7米。擴展后附加軸移動速度0.5m/s，打印速度0.3m/s，重復定位精度±0.06mm，額定負載120kg。
這套混凝土3D打印裝備主要解決以下打印難點：
（1）實現六軸聯動精準控制，尤其適用于空間曲面、薄壁、扭轉懸挑等復雜造型混凝土產品的打印；
（2）滿足打印、泵送、擠出耦合性高的材料及參數要求；
（3）全天無間歇打印，設備穩定性高；
（4）配合多類型工具端及出料口使用，實現高精度精確控制。
2、10米大型5軸龍門混凝土3D打印裝備
中交一公院還開發了大尺度、模塊化、可擴展的龍門式混凝土3D打印裝備，突破大尺度構件打印技術壁壘，打印范圍10m×6m×3.6m，單向最大打印速度0.5m/s，重復定位精度±0.2mm，額定負載100kg。有效解決了大跨徑、大尺度混凝土構件的打印難題，可實現全天無間歇工作，在保證高精度打印要求的前提下，為混凝土3D打印工程建設提供了更多可能性。
3、 通用型多功能混凝土3D打印工具端
據悉，實現初代裝備研發后，在長期的打印測試及實際工程應用中，中交一公院對3D打印裝備工具端進行了持續改造升級，以應對多種多樣的打印需求、解決打印過程中的實際難題。
定型了十多種不同類型及規格的混凝土打印擠出端，并確定了相應匹配的材料擠出速度、泵壓和機械臂移動速度，可實現不同截面形狀、尺寸的打印需求，拓展3D打印技術可實現的混凝土結構造型多樣性。
工具端實現五代革新，具有通用性，適配機械臂式及龍門式打印裝備，實現了從連續到跳點、固定到旋轉、圓頭到矩形頭的迭代，在打印流量、精度、效率、質量上不斷提升，獲授權專利4項。
（1）泵車直出式工具端：結構簡單，性能穩定，適用于固定圓形出口打印工況和實驗打印測試。攻克問題：打印路徑不連續時，斷點處打印質量差；
（2）同軸式可旋轉工具端：以簡單的結構實現矩形擠出端打印，打印精度高，且清洗方便。攻克問題：打印質量受泵車工作穩定性影響大，構件表面質量不佳；
（3）螺桿增壓工具端：二次加壓打印材料，材料擠出更密實，構件強度高。攻克問題：圓形出口的擠出成型頭打印的構件層間接觸面積小、構件強度低，大懸挑及扭轉打印易坍塌；
（4）中空軸可旋轉工具端：可實現多規格矩形擠出端打印，設備結構緊湊。攻克問題：打印頭體積大，打印過程易與機械臂小臂干涉；
（5）可伸縮可旋轉工具端：集成伸縮補償功能、旋轉功能，實現更大尺度矩形截面構件打印。攻克問題：內置于儲料筒中的驅動旋轉機構易積料，存在清洗死角；長久使用旋轉精度低；受機械臂作業空間限制，不能實現高度較高的構件打印。
4、 混凝土3D打印智能控制系統
2022年，國內混凝土3D打印技術的建模切片、路徑規劃、打印控制等環節的操作與執行環節相對孤立，市場主流的切片及路徑規劃等軟件主要面向塑料等非混凝土3D打印技術，無法完全適用于混凝土3D打印技術。
于是，針對現有打印設備系統智能化程度低、設備協同控制弱、打印技術可控性差、測試數據無法大批量采集應用、經驗數據難于積累等難題，中交一公院在現有裝備的研發基礎上，進一步開展了控制系統研究，研發出了相對完備高效的軟硬件一體化混凝土3D打印智能控制系統。
全工藝流程3D打印控制系統，基于現場總線架構設計，融合機器人運動控制、傳感、現代通信、工業以太網等前沿技術，智能集成所有相關軟、硬件，包括混凝土拌合系統、材料泵送系統、工業機器人軟硬件系統、3D打印工具端系統，實現了一套系統全流程全設備的控制、監測、預警，解決了材料、環境、設備、參數實時協同及工況監測、人機交互、安全防護等關鍵技術問題。
控制系統具體包括系統設置、運動控制、工藝流程控制、工況監測、數據監測與采集五大功能，實現了混凝土3D打印全工藝過程的安全監控、實時反饋、數據采集、打印數據的批量采集、分析，達到3D打印核心技術工廠化多設備系統精準協同。
其中，多指標系統化實時監測模塊包括材料余量監測、泵速監測、打印進程監測、環境監測等功能，顯著提高各設備系統的協作效率，明顯降低了核心技術人員數量依賴，大幅提高打印效率，實現了系統應用及核心技術應用的可復制性。
目前，該系統軟件取得軟件著作權4項，獲2022年陜西省優秀工程勘察設計一等獎（計算機軟件類），被評為“國際領先”水平，引領行業前沿。
5、平面與空間路徑擬合控制技術
此外，中交一公院還首創了平面路徑和空間路徑擬合控制技術，彌補了傳統水平打印層間懸挑能力差、材料密度分布不均等不足，實現任意復雜三維斜向空間、懸挑結構多自由度靈活打印，使打印位姿和路徑走向達到最優態，授權發明專利3項。
基于自主研發的可伸縮可旋轉工具端，配合矩形擠出端使用，基于平面路徑擬合技術，實現了高精度混凝土打印控制，技術實力達到國內領先水平。
基于空間路徑擬合技術，斜向空間、曲面切片、懸挑造型等復雜結構，輕松實現，效果卓越。
總結
經過多年的持續研發，中交一公院在混凝土3D打印技術領域，實現了從無到有、從裝備到系統集成的全產業鏈創新，包括：
●機械臂與龍門裝備，破解復雜打印難題；
●多功能工具端，滿足多樣需求；
●軟硬件一體化智能控制系統，實現了混凝土3D打印全流程智能監控，提升效率，保障質量，降低風險；
●平面與空間路徑擬合控制技術，達到異形構件高精度建造要求。
未來，中交一公院將繼續以技術創新引領行業發展，為交通、智慧城市等領域注入新活力。
中交第一公路勘察設計研究院有限公司（簡稱中交一公院），自2016年成立結構智能建造專職研發中心以來，長期致力于混凝土3D打印技術研發，圍繞全產業鏈實現原始技術創新。近期，南極熊將會通過連載形式，報道中交一公院在混凝土3D打印領域中取得的系列成果。
裝備作為混凝土3D打印技術鏈中的關鍵環節，決定了打印材料的適用性、打印尺度及復雜結構及構造的可實現性等方方面面。因此，中交一公院從裝備入手，開展混凝土3D打印的全技術體系研發。針對工廠預制式，相繼研制了機械臂式及龍門式混凝土3D打印機，包括適配的多類型擠出端、工具端；開展了現場原位混凝土3D打印裝備研發；軟件方面，研發出相對完備高效的混凝土3D打印智能控制系統，2022年認定為國際領先水平。
那么，中交一公院是憑借哪些軟硬件成果走向國際前列的呢？
1、 基于工業機器人的混凝土3D打印裝備
中交一公院開發了機械臂3D打印裝備，基于購置的KUKA工業機器人，配置了8米外部附加軸，在原有打印范圍基礎上實現了單向6米的打印尺度擴展，最大工作半徑2.7米。擴展后附加軸移動速度0.5m/s，打印速度0.3m/s，重復定位精度±0.06mm，額定負載120kg。
△基于工業機器人的混凝土3D打印裝備
這套混凝土3D打印裝備主要解決以下打印難點：
（1）實現六軸聯動精準控制，尤其適用于空間曲面、薄壁、扭轉懸挑等復雜造型混凝土產品的打印；
（2）滿足打印、泵送、擠出耦合性高的材料及參數要求；
（3）全天無間歇打印，設備穩定性高；
（4）配合多類型工具端及出料口使用，實現高精度精確控制。
△圖中為異形扭轉懸挑立柱打印，高度2.2米，單根打印時長25分鐘
2、10米大型5軸龍門混凝土3D打印裝備
中交一公院還開發了大尺度、模塊化、可擴展的龍門式混凝土3D打印裝備，突破大尺度構件打印技術壁壘，打印范圍10m×6m×3.6m，單向最大打印速度0.5m/s，重復定位精度±0.2mm，額定負載100kg。有效解決了大跨徑、大尺度混凝土構件的打印難題，可實現全天無間歇工作，在保證高精度打印要求的前提下，為混凝土3D打印工程建設提供了更多可能性。
△大型動柱式5軸龍門混凝土3D打印裝備
△門牌石分塊構件打印，2.6×1.6×1.8m
3、 通用型多功能混凝土3D打印工具端
據悉，實現初代裝備研發后，在長期的打印測試及實際工程應用中，中交一公院對3D打印裝備工具端進行了持續改造升級，以應對多種多樣的打印需求、解決打印過程中的實際難題。
定型了十多種不同類型及規格的混凝土打印擠出端，并確定了相應匹配的材料擠出速度、泵壓和機械臂移動速度，可實現不同截面形狀、尺寸的打印需求，拓展3D打印技術可實現的混凝土結構造型多樣性。
△通用型多功能混凝土3D打印工具端
工具端實現五代革新，具有通用性，適配機械臂式及龍門式打印裝備，實現了從連續到跳點、固定到旋轉、圓頭到矩形頭的迭代，在打印流量、精度、效率、質量上不斷提升，獲授權專利4項。
（1）泵車直出式工具端：結構簡單，性能穩定，適用于固定圓形出口打印工況和實驗打印測試。攻克問題：打印路徑不連續時，斷點處打印質量差；
（2）同軸式可旋轉工具端：以簡單的結構實現矩形擠出端打印，打印精度高，且清洗方便。攻克問題：打印質量受泵車工作穩定性影響大，構件表面質量不佳；
（3）螺桿增壓工具端：二次加壓打印材料，材料擠出更密實，構件強度高。攻克問題：圓形出口的擠出成型頭打印的構件層間接觸面積小、構件強度低，大懸挑及扭轉打印易坍塌；
（4）中空軸可旋轉工具端：可實現多規格矩形擠出端打印，設備結構緊湊。攻克問題：打印頭體積大，打印過程易與機械臂小臂干涉；
（5）可伸縮可旋轉工具端：集成伸縮補償功能、旋轉功能，實現更大尺度矩形截面構件打印。攻克問題：內置于儲料筒中的驅動旋轉機構易積料，存在清洗死角；長久使用旋轉精度低；受機械臂作業空間限制，不能實現高度較高的構件打印。
△混凝土3D打印工具端五代革新
4、 混凝土3D打印智能控制系統
2022年，國內混凝土3D打印技術的建模切片、路徑規劃、打印控制等環節的操作與執行環節相對孤立，市場主流的切片及路徑規劃等軟件主要面向塑料等非混凝土3D打印技術，無法完全適用于混凝土3D打印技術。
于是，針對現有打印設備系統智能化程度低、設備協同控制弱、打印技術可控性差、測試數據無法大批量采集應用、經驗數據難于積累等難題，中交一公院在現有裝備的研發基礎上，進一步開展了控制系統研究，研發出了相對完備高效的軟硬件一體化混凝土3D打印智能控制系統。
△混凝土3D打印軟硬件一體化智能控制系統架構
全工藝流程3D打印控制系統，基于現場總線架構設計，融合機器人運動控制、傳感、現代通信、工業以太網等前沿技術，智能集成所有相關軟、硬件，包括混凝土拌合系統、材料泵送系統、工業機器人軟硬件系統、3D打印工具端系統，實現了一套系統全流程全設備的控制、監測、預警，解決了材料、環境、設備、參數實時協同及工況監測、人機交互、安全防護等關鍵技術問題。
△控制系統智能集成所有相關軟、硬件
控制系統具體包括系統設置、運動控制、工藝流程控制、工況監測、數據監測與采集五大功能，實現了混凝土3D打印全工藝過程的安全監控、實時反饋、數據采集、打印數據的批量采集、分析，達到3D打印核心技術工廠化多設備系統精準協同。
△打印系統控制及監測界面
其中，多指標系統化實時監測模塊包括材料余量監測、泵速監測、打印進程監測、環境監測等功能，顯著提高各設備系統的協作效率，明顯降低了核心技術人員數量依賴，大幅提高打印效率，實現了系統應用及核心技術應用的可復制性。
△安全監控系統
混凝土3D打印軟硬件一體化智能控制系統，極大提高了混凝土3D打印項目生產與項目管理效率，目前操作人員已從4人減少至1人，充分降低了工序復雜度，關鍵設備數控化率達到100%。智能控制系統的實施監測模塊有效降低了作業安全風險，各設備聯動控制顯著提高了建造效率，同時提高了產品的打印質量，質量損失率下降約20%。整個系統的響應時間均在100ms以內，確保了混凝土3D打印生產流程的高速運轉。目前，該系統軟件取得軟件著作權4項，獲2022年陜西省優秀工程勘察設計一等獎（計算機軟件類），被評為“國際領先”水平，引領行業前沿。
△2022年度陜西省優秀勘察設計計算機軟件獎一等獎
5、平面與空間路徑擬合控制技術
此外，中交一公院還首創了平面路徑和空間路徑擬合控制技術，彌補了傳統水平打印層間懸挑能力差、材料密度分布不均等不足，實現任意復雜三維斜向空間、懸挑結構多自由度靈活打印，使打印位姿和路徑走向達到最優態，授權發明專利3項。
基于自主研發的可伸縮可旋轉工具端，配合矩形擠出端使用，基于平面路徑擬合技術，實現了高精度混凝土打印控制，技術實力達到國內領先水平。
△平面路徑擬合技術（左） 矩形擠出端打印示意（右）
△矩形打印頭旋轉高精度打印
基于空間路徑擬合技術，斜向空間、曲面切片、懸挑造型等復雜結構，輕松實現，效果卓越。
△基于空間路徑擬合技術實現曲片切片構件打印
總結
經過多年的持續研發，中交一公院在混凝土3D打印技術領域，實現了從無到有、從裝備到系統集成的全產業鏈創新，包括：
●機械臂與龍門裝備，破解復雜打印難題；
●多功能工具端，滿足多樣需求；
●軟硬件一體化智能控制系統，實現了混凝土3D打印全流程智能監控，提升效率，保障質量，降低風險；
●平面與空間路徑擬合控制技術，達到異形構件高精度建造要求。
未來，中交一公院將繼續以技術創新引領行業發展，為交通、智慧城市等領域注入新活力。
(責任編輯：admin)
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