呂勒奧理工大學(xué)利用基于塊的實(shí)驗(yàn)框架推進(jìn)自主空中3D打印技術(shù)

2025年5月29日，南極熊獲悉，瑞典呂勒奧理工大學(xué)的一組研究人員開(kāi)發(fā)出了一套完全自主的航空增材制造框架。該系統(tǒng)結(jié)合了優(yōu)化的網(wǎng)格分解和先進(jìn)的飛行控制技術(shù)，能夠利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)的制造。這一創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)通過(guò)實(shí)際泡沫結(jié)構(gòu)打印的實(shí)驗(yàn)成功得到驗(yàn)證，為專(zhuān)業(yè)的3D打印領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。

△空中3D打印的視頻演示可在此處觀看（油管傳送門(mén)）

空中增材制造從模擬到執(zhí)行

這種創(chuàng)新方法利用分解算法將CAD模型拆分為可獨(dú)立打印的子結(jié)構(gòu)，或稱(chēng)為“塊”，并以依賴(lài)關(guān)系圖的形式進(jìn)行組織。這些“塊”根據(jù)打印可行性和連接約束的順序被分配給無(wú)人機(jī)。研究團(tuán)隊(duì)定制了一架六旋翼飛行器，裝備有裝填可發(fā)性聚氨酯泡沫的加壓罐。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，根據(jù)Cura切片軟件生成的制造路徑，擠出材料進(jìn)行打印。

為確保精確的材料打印，研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)非線性模型預(yù)測(cè)控制（NMPC）系統(tǒng)，配備了擾動(dòng)估計(jì)器。這種偏移控制器能夠調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行，以應(yīng)對(duì)氣流、泡沫耗盡導(dǎo)致的重量變化以及地面效應(yīng)等因素的影響，這些因素通常在近地作業(yè)中會(huì)干擾無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性。

△航空增材制造系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

六邊形和空心矩形的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在配備動(dòng)作捕捉設(shè)備的室內(nèi)環(huán)境中，研究人員對(duì)空中增材制造框架進(jìn)行了測(cè)試，采用兩種幾何形狀：一個(gè)中心空心的矩形殼體和一個(gè)六邊形網(wǎng)格。每個(gè)模型被成功拆分為八個(gè)塊體，并按層次進(jìn)行打印。無(wú)人機(jī)能夠自主導(dǎo)航至它的初始位置并進(jìn)行罐體交換。

△無(wú)人機(jī)按順序打印測(cè)試幾何體塊的快照

為了減少無(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生的氣流干擾，測(cè)試人員在擠出機(jī)上安裝了防護(hù)裙，并采用了階梯式互鎖結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)塊體間的粘合力。追蹤誤差保持在2至6厘米之間，基于3D體素的打印路徑與參考路徑體積比較顯示了微小的偏差。盡管存在一些由氣流引起的變形，打印出的形狀仍保持了足夠的精度和完整性，但足以證明這項(xiàng)技術(shù)具有很強(qiáng)的開(kāi)發(fā)潛力，未來(lái)適用于更加復(fù)雜的建筑任務(wù)。

△最終固化的泡沫結(jié)構(gòu)由無(wú)人機(jī)采用基于塊的自主打印方法打印

相關(guān)研究已提交給《建筑自動(dòng)化雜志》的預(yù)印本，但目前尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)審。研究題目為“邁向完全自主、靈活的基于塊體的航空增材制造：來(lái)自實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的見(jiàn)解”。
https://arxiv.org/abs/2502.20549v1

這項(xiàng)研究代表了自主空中3D打印領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。與以往側(cè)重于模擬或有限仿真不同，這種框架能夠?qū)⒂布O(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、切片和自主控制集成到一個(gè)統(tǒng)一的功能系統(tǒng)中。研究人員指出了未來(lái)的研究方向，包括部署多無(wú)人機(jī)同步打印、與高強(qiáng)度建筑材料的集成，以及基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的材料流分析的改進(jìn)。