同濟大學學生的探索：空間6D打印設備

2014年7月，由同濟大學建筑與城規(guī)學院主辦，同濟大學建筑設計研究院、上海同濟城市規(guī)劃設計院和德稻教育協(xié)辦的為期三周的上海"數(shù)字未來"暑期設計工作營。該工作營由同濟大學的袁烽副教授組織策劃，從2011年開始舉辦，至今已經(jīng)辦了四屆。在此次工作營上，一群來自同濟大學的學生創(chuàng)建了一個將6軸KUKA機器人與3D打印機相結合的裝置，開發(fā)團隊稱之為6D打印，其實6D指的只是機器人的6個軸。

該團隊成員包括史紀、劉潯、羅瑞華、崔宇旗、李曉琳組成，指導老師為來自清華大學的于雷和工作營負責人袁峰副教授，該團隊開發(fā)的這個結合了6軸機器人的3D打印機，旨在消除“設計”和“制造”之間的界限，讓建筑師快速、準確地實現(xiàn)他們的設計。

開發(fā)團隊稱：“傳統(tǒng)的3D打印方式依照水平切片打印，而后疊合形成整體模型，這個過程僅僅反映了模型的成型狀態(tài)，并沒有反映結構的自然生長與建構邏輯。本項目從仿生學的角度出發(fā)，學習了蜘蛛吐絲織網(wǎng)的建構過程：一種由一點開始，沿著結構路徑生長出復雜空間的自然建構邏輯。”

史紀介紹說：“同時，我們對傳統(tǒng)的打印設備進行了優(yōu)化：利用KUKA機器臂承載打印工具頭，可在空間中沿不同路徑打印空間曲線。與此同時，打印工具頭采取了可變的機械設計，4個打印噴頭中，3個噴頭可以規(guī)律性地一張一合，據(jù)此可以改變打印過程中線材定型時的截面形狀，形成和蜘蛛絲類似、具有結構強度的線材。

這些改動，與其說創(chuàng)新，不如說是回歸：當機器臂大幅度運轉、打印頭一張一合、空間結構沿著3維路徑慢慢生長時，正式機器技術向自然建構的回歸。”

那么這個6D打印裝置是如何工作的呢？其主要部分由kuka機器人以及3D打印噴頭構成。6 軸機器人沿模型中的路徑移動，同時3D打印噴頭進行打印，依此形成空間曲面。機器手臂末端的工具頭包含4個打印噴頭，其中3個為活動的噴頭，由附加的電路以及機械裝置控制，可以在兩個狀態(tài)間隙擺動。工作時，沿著打印的路徑上，固定的噴頭可以完全擬合模型曲線，而3個活動的噴頭可以一張一合，形成特殊的截面形狀打印擺 動的曲線，以增強模型的結構強度

更進一步說，這個空間6D打印裝置是由以下主要功能部件組成的：

1、KUKA機器人——機器手臂

KUKA6軸機器人承載3D打印工具頭，在可操作的空間 中自由移動,為打印提供了多種位置與方向。在6軸機 器人的控制下，3D 打印噴頭的工作方式，從以往的按照 水平與垂直層疊打印方式，變成了根據(jù)模型結構按照合 理路徑的打印方式。這是符合自然界中的諸多生物（如 蜘蛛）的自然建造邏輯的。

2、KUKA 機器人——機箱

KUKA6 的運動由線下編程完成（Rhinoi-GrasshopperKUKAPrc）。使得空間 6d 打印與通用建模軟件完美對接。

3、3D 打印噴頭

由于按照特殊路徑的 3D 打印對打印材料即時穩(wěn)定的結構 性要求頗高,機器臂前端的3D打印噴頭經(jīng)過特殊的設計： 3個活動噴頭和1個固定噴頭可以打印類似于蜘蛛絲微 觀結構的打印素材。這樣打印成型材料可以即時定型。

4、3D 打印控制系統(tǒng)

整套 3D 打印系統(tǒng)由單獨的電路控制。概括來講，整套系 統(tǒng)包含供應裝置，擠壓運送裝置，加熱裝置，速度、溫 度控制裝置以及操作面板。

5、冷卻氣泵

由于打印工具頭工作時產(chǎn)生大量熱量，為了使打印線材即時凝固，裝置設計了冷卻的系統(tǒng)，由空氣壓縮機將氣 流持續(xù)大量吹向打印噴頭前端，使得受熱融化的ABS 線材冷卻定型。

6、工作框架

打印設備工作時，要求機器人、工作頭、錨固平面處于 精確的校準位置。最外層的鋁型材框架保證了這一點， 同時使得整套裝置更加具有系統(tǒng)性和完整性。