機(jī)器人3D打印技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

戴 鑫，馮春梅，徐澤瑋，黃無云，何昱煜，施建平

(南京師范大學(xué)江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)

工業(yè)機(jī)器人(industrial robot)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，是用于搬運(yùn)機(jī)械部件或工件的、可編程的多功能操作器，或通過改變程序可以完成各種工作的特殊機(jī)械裝置[1]。這一定義已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織所采納[2]。

3D打印(three dimensional printing，3DP)技術(shù)是一種基于離散/堆積成型思想的新型成型技術(shù)[3]。目前，3D打印技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)逐漸得到應(yīng)用，并成為全世界較為前沿的研究領(lǐng)域之一。3D打印技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用涉及材料科學(xué)、機(jī)械科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等，被認(rèn)為是多學(xué)科交叉融合[4-5]的科學(xué)技術(shù)，具有較高的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的3D打印技術(shù)

目前，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中所使用的3D打印技術(shù)種類較多[6]，主要有粉末床融合(PBF)、定向能量沉積(DED)、材料擠出(ME)、光固化(VT)、粘結(jié)劑噴射(BJ)、材料噴射(MJ)等，各種3D打印技術(shù)對(duì)比見表1。同時(shí)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域可供3D打印使用的材料也很多[7]，如金屬、聚合物等。

由表1可知，光固化、粘結(jié)劑噴射、材料噴射等

表1 工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域3D打印技術(shù)對(duì)比

技術(shù)成型精度較高，打印層厚較小，從其工藝本身及所用材料角度來看成本不高，是較為理想的成型技術(shù)，未來在機(jī)器人領(lǐng)域?qū)?huì)被廣泛采用。目前工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域3D打印所使用的材料主要有金屬材料與非金屬材料，其中金屬材料包括鋼、鐵、鈦、鋁以及其他合金的粉末材料和絲狀材料[8]，主要適用于激光熔覆、直接金屬燒結(jié)等技術(shù)，非金屬材料包括生物材料和非生物材料[9]，如組織細(xì)胞、聚合物等。

2 機(jī)器人技術(shù)在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用

在3D打印技術(shù)中引入工業(yè)機(jī)器人，主要有兩方面作用：一方面是為了擴(kuò)大打印的尺寸。由于設(shè)備本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)制約，3D打印的產(chǎn)品尺寸受到了很大的限制，而利用工業(yè)機(jī)器人在一定程度上可以放大打印的尺寸。如圖1所示，華中科技大學(xué)楊秀芝等[10]利用龍門架和工業(yè)機(jī)器人組合的打印裝置，可打印20 m×20 m×10 m的模型；如圖2所示，上海建工集團(tuán)股份有限公司王美華等[11]提出的分布式自爬升建筑用3D打印裝置，是將工業(yè)機(jī)器人附著在建筑體上，可以隨著建筑的增高而自動(dòng)爬升，有效地解決了3D打印裝置與建筑高度的適應(yīng)性問題。另一方面是為了打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型。傳統(tǒng)的增材制造方法由于受到重力的影響在不規(guī)則或非水平表面上創(chuàng)建3D模型是不可能的，工業(yè)機(jī)器人的引入，可以很好地彌補(bǔ)這一不足。如圖3所示，河海大學(xué)張弛等[12]提出工業(yè)機(jī)器人與變位機(jī)聯(lián)動(dòng)，將變位機(jī)與工業(yè)機(jī)器人視為一個(gè)同步工作站,多方位打印復(fù)雜零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；如圖4所示，加泰羅尼亞高級(jí)建筑學(xué)院創(chuàng)新了擠出技術(shù)[13]，利用工業(yè)機(jī)器人制作3D曲線，打印3D模型，與二維圖層不同，3D曲線是可以遵循自定義形狀的精確應(yīng)力線，在打印過程中可以抵消重力的影響。

圖1 龍門架和工業(yè)機(jī)器人組合打印裝置

圖2 分布式自爬升建筑用3D打印裝置

2.1 機(jī)器人技術(shù)在金屬3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用

金屬3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中的核心技術(shù)之一，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。國外對(duì)電弧焊機(jī)器人3D打印技術(shù)的研究相對(duì)較早，我國雖然落后于許多歐美國家，但這些年在很多高校和科研院所的不斷努力下，取得了不錯(cuò)的成果。如圖5所示，山東大學(xué)附屬奧泰集團(tuán)利用KUKA六軸工業(yè)機(jī)器人與兩軸變位機(jī)聯(lián)動(dòng)，以高強(qiáng)度的鋼絲為材料打印出外表精致的金屬花瓶；如圖6所示，中國裝甲兵工程學(xué)院朱勝等[14-15]利用現(xiàn)有的金屬3D打印設(shè)備與六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)合，成功地修復(fù)了航空設(shè)備上的零部件；上海航天設(shè)備制造總廠研制的大型金屬構(gòu)件增材制造裝備[16]——同軸工業(yè)機(jī)器人送粉激光3D打印設(shè)備，成功地解決了國內(nèi)航天領(lǐng)域大型金屬構(gòu)件“鑄/鍛造+銑削”這一傳統(tǒng)制造模式導(dǎo)致的制造周期長、材料利用率低和柔性化程度差等問題，圖7所示為同軸送粉打印設(shè)備打印的成品。

圖3 工業(yè)機(jī)器人與變位機(jī)聯(lián)動(dòng)裝置

圖4 創(chuàng)新性擠出技術(shù)

在國外，基于工業(yè)機(jī)器人的金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。例如MX3D公司開發(fā)出突破性的機(jī)器人增材制造技術(shù)，可打印尺寸和形狀復(fù)雜的合金產(chǎn)品，如圖8所示，MX3D公司使用六軸工業(yè)機(jī)器人在荷蘭阿姆斯特丹市打印了一座大橋[17]；如圖9所示，鹿特丹港的RamLab[18]使用線電弧增材制造(WAAM)工藝與減材制造技術(shù)相結(jié)合方法，用質(zhì)量為400 kg、直徑為1.30 m的鎳、鋁和青銅合金印制出第一只船用螺旋槳。六軸機(jī)器人為3D打印創(chuàng)造了更大的打印空間和更靈活的打印方式。

圖6 改進(jìn)后的打印設(shè)備及修復(fù)后成品

圖7 同軸送粉打印設(shè)備打印的成品

圖8 MX3D橋

2.2 機(jī)器人技術(shù)在生物3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著生物3D打印技術(shù)、醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)、人工智能等前沿技術(shù)的融合，為人類生物醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件?；卺t(yī)療機(jī)器人的生物3D打印技術(shù)，我國走在世界的前列。例如，北京天智航醫(yī)療科技有限公司董事長張送根認(rèn)為，醫(yī)療機(jī)器人與生物三維打印技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于臨床中，具有手術(shù)時(shí)間短、出血量少、軟組織損傷小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)他還認(rèn)為，基于醫(yī)療機(jī)器人的生物3D打印技術(shù)對(duì)骨組織的修復(fù)起著極大的作用。圖10所示是已臨床應(yīng)用的天智航生物3D打印機(jī)器人[19]。第四軍醫(yī)大學(xué)與北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所合作把機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用于生物3D打印技術(shù)中[20]，并成功地研發(fā)了口腔種植機(jī)器人3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以精準(zhǔn)高效地完成口腔種植，給后續(xù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，圖11所示是模塊化種植模型。中國人民解放軍醫(yī)學(xué)院趙燕鵬[21]研發(fā)的基于6自由度串聯(lián)定位機(jī)器人骨組織修復(fù)的3D打印設(shè)備，已成功地在動(dòng)物身上做了多次骨修復(fù)實(shí)驗(yàn)，為解決髓內(nèi)釘鎖定孔精確定位這一長久難題提供了可靠的解決方案。圖12所示是人體模型的打印過程。

圖9 3D打印螺旋槳

圖10 天智航生物3D打印機(jī)器人

圖11 機(jī)器人生物3D打印機(jī)模塊化種植模型

圖12 人體模型打印過程

在國外，如圖13所示,日本東京大學(xué)Maeda等[22]將生物3D打印技術(shù)與六軸醫(yī)療機(jī)器人相結(jié)合研發(fā)了骨折復(fù)位打印機(jī)，機(jī)器人首先固定足部，然后牽引下肢完成股骨骨折修復(fù)。俄羅斯卡巴爾達(dá)-巴爾卡爾國立大學(xué)先進(jìn)聚合物新材料實(shí)驗(yàn)室主任斯韋特蘭娜·哈希羅娃等研制出的新的聚合物，可作為機(jī)器人生物3D打印機(jī)打印人體假肢的材料[23]。

圖13 東京大學(xué)骨折復(fù)位打印機(jī)

2.3 機(jī)器人技術(shù)在建筑3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的建筑建造方式相比，建筑3D打印技術(shù)的優(yōu)勢主要在于：使用了工業(yè)機(jī)器人，建筑3D打印技術(shù)能夠完成復(fù)雜創(chuàng)意形態(tài)的建筑模型的建立；工業(yè)機(jī)器人讓設(shè)計(jì)與建造高度自由化，建造質(zhì)量安全可靠；建筑3D打印，可使用整體打印、組裝打印、群組打印等技術(shù)，極大地縮短了工期；建筑3D打印使用的打印材料通常是建筑垃圾或回收的廢舊材料，節(jié)約、環(huán)保。

目前國內(nèi)利用 3D 打印技術(shù)結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)取得一定的成效，盈創(chuàng)建筑科技有限公司在這方面取得的成果尤為顯著。首先，如圖14所示，在2014年利用工業(yè)機(jī)器人組成的大型3D打印機(jī)，把特殊的“油墨”(建筑垃圾)堆疊成了10 幢建筑，用時(shí)不到24 h；然后，如圖15所示，于2015年在江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)，利用改進(jìn)后的建筑3D打印機(jī)打印出一棟五層樓房和一套1 100 m2別墅；最后，如圖16和圖17所示，于2016年先后打印出“未來辦公室”[24]和兩套中式風(fēng)格別墅庭院[25]，其中“未來辦公室”在上海經(jīng)過吊裝然后運(yùn)輸?shù)诌_(dá)迪拜，而別墅庭院利用工業(yè)機(jī)器人將建材層層疊加，經(jīng)多層疊加后形成的建筑，每層的厚度為0.6～3.0 cm，該設(shè)計(jì)特殊之處在于把墻體設(shè)計(jì)成了“空腔”，然后在“腔”中再次利用3D打印技術(shù)填充保溫材料，不僅讓建筑具有良好的保溫效果，而且節(jié)約了成本。目前國內(nèi)將基于工業(yè)機(jī)器人的3D 打印技術(shù)運(yùn)用于建筑領(lǐng)域還處于起步階段，仍有許多關(guān)鍵技術(shù)和問題亟待解決，但其巨大的應(yīng)用價(jià)值必將引起科研人員的廣泛關(guān)注，未來基于工業(yè)機(jī)器人的建筑3D 打印技術(shù)發(fā)展趨勢必然良好。

圖14 3D打印五層樓樓房

圖15 3D打印1 100 m2別墅

圖16 3D打印“未來辦公室”

圖17 3D打印中式風(fēng)格別墅

在國外，基于工業(yè)機(jī)器人的建筑3D打印技術(shù)成功運(yùn)用的案例更多。加泰羅尼亞高級(jí)建筑學(xué)院TerraPerforma項(xiàng)目中使用的CoGiro機(jī)器人，能夠進(jìn)行3種3D打?。簷C(jī)器人打印、現(xiàn)場打印和黏土打印，如圖18所示[26]。在英國拉夫堡大學(xué)的freeform construction[27-28]項(xiàng)目中，美國麻省理工大學(xué)的設(shè)計(jì)師 Neri Oxman[29]利用工業(yè)機(jī)器人開發(fā)出一臺(tái)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的3D打印機(jī)，并用混凝土打印出大型構(gòu)件。圖19是荷蘭建筑事務(wù)所(DUS)的建筑師利用一臺(tái)名為KamerMaker 的大型 3D 打印機(jī)打印出的名為Canal House的建筑。

圖18 TerraPerforma項(xiàng)目中用黏土進(jìn)行三維打印

圖19 3D打印的Canal House

3 結(jié)束語

目前，3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，行業(yè)分布越發(fā)密集，整體顯現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢?；跈C(jī)器人的3D打印技術(shù)已經(jīng)有了較為良好的發(fā)展開端，具有廣闊的應(yīng)用前景。相信隨著與3D打印相關(guān)技術(shù)的不斷完善，必將推動(dòng)建筑、生物等多領(lǐng)域3D打印的蓬勃發(fā)展。本文對(duì)比分析了建筑、生物等領(lǐng)域3D打印技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合的國內(nèi)外發(fā)展情況，可為我國建筑、制造、生物醫(yī)療行業(yè)的從業(yè)者將 3D 打印技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際中提供參考。