37、原位结构约束自动化机器人制造系统的工艺与评估

原位结构约束自动化机器人制造系统的工艺与评估

一、引言

在建筑领域，传统的混凝土浇筑和钢铁制造工艺在处理标准截面时高效省时，但面对不规则形状和尺寸则存在局限。而增材制造（AM）技术以其灵活性和有效性，能够制造具有复杂几何形状的定制部件，在建筑行业逐渐从实验室走向全尺寸3D结构打印。不过，增材制造与常见建筑结构系统和标准装配工艺的兼容性一直是个挑战。

结合增材制造概念和纤维增强聚合物（FRP）在结构加固和模板中的应用，我们探索利用机器人技术进行结构构件的制造，以提高模板的灵活性，增加建筑结构的材料和结构效率。

二、背景

增材制造技术大致可分为七类：粘结剂喷射、材料挤出、粉末床熔融、定向能量沉积、薄片层压、光固化和材料喷射。不同的AM系统在自由度上有所不同，例如龙门机器人有三个自由度，基于工业机械臂的系统有六个自由度，还可通过移动基座进一步扩展。此外，这些系统还能与地面和空中协作机器人配合使用。

建筑中最常见的AM方法是基于材料挤出，将新鲜的水泥材料通过喷嘴沿水平层按预定路径沉积。不同的混凝土挤出系统根据层厚、打印对象尺寸、打印环境、组装策略、支撑结构使用和机器人复杂度进行分类。一些项目已采用这些系统，如拉夫堡大学的弯曲长椅、XtreeE的复杂墙体、温商为迪拜未来基金会打印的建筑组件等。

其他创新的AM系统，如FreeFAB颗粒床工艺、ETH Zurich的智能动态铸造和网状模具，提高了建筑构件的精度，便于打印复杂形状和几何结构。然而，目前的AM系统主要集中在传统混凝土结构，面临从小规模扩展到大规模以及将钢筋集成到系统中的挑战。相比之下，FRP - 混凝土复合材料的大规模增材制造可能在解决这些问题上具有特殊优势。