机器人3D打印技术的应用进展

戴 鑫，冯春梅，徐泽玮，黄无云，何昱煜，施建平

(南京师范大学江苏省三维打印装备与制造重点实验室，江苏 南京 210042)

工业机器人(industrial robot)出现于20世纪60年代，是用于搬运机械部件或工件的、可编程的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置[1]。这一定义已被国际标准化组织所采纳[2]。

3D打印(three dimensional printing，3DP)技术是一种基于离散/堆积成型思想的新型成型技术[3]。目前，3D打印技术在工业机器人领域已经逐渐得到应用，并成为全世界较为前沿的研究领域之一。3D打印技术在工业机器人领域的应用涉及材料科学、机械科学、计算机科学等，被认为是多学科交叉融合[4-5]的科学技术，具有较高的研究价值和广泛的应用前景。

1 工业机器人领域的3D打印技术

目前，在工业机器人领域中所使用的3D打印技术种类较多[6]，主要有粉末床融合(PBF)、定向能量沉积(DED)、材料挤出(ME)、光固化(VT)、粘结剂喷射(BJ)、材料喷射(MJ)等，各种3D打印技术对比见表1。同时在工业机器人领域可供3D打印使用的材料也很多[7]，如金属、聚合物等。

由表1可知，光固化、粘结剂喷射、材料喷射等

表1 工业机器人领域3D打印技术对比

技术成型精度较高，打印层厚较小，从其工艺本身及所用材料角度来看成本不高，是较为理想的成型技术，未来在机器人领域将会被广泛采用。目前工业机器人领域3D打印所使用的材料主要有金属材料与非金属材料，其中金属材料包括钢、铁、钛、铝以及其他合金的粉末材料和丝状材料[8]，主要适用于激光熔覆、直接金属烧结等技术，非金属材料包括生物材料和非生物材料[9]，如组织细胞、聚合物等。

2 机器人技术在3D打印领域的应用

在3D打印技术中引入工业机器人，主要有两方面作用：一方面是为了扩大打印的尺寸。由于设备本身的机械结构制约，3D打印的产品尺寸受到了很大的限制，而利用工业机器人在一定程度上可以放大打印的尺寸。如图1所示，华中科技大学杨秀芝等[10]利用龙门架和工业机器人组合的打印装置，可打印20 m×20 m×10 m的模型；如图2所示，上海建工集团股份有限公司王美华等[11]提出的分布式自爬升建筑用3D打印装置，是将工业机器人附着在建筑体上，可以随着建筑的增高而自动爬升，有效地解决了3D打印装置与建筑高度的适应性问题。另一方面是为了打印结构复杂的模型。传统的增材制造方法由于受到重力的影响在不规则或非水平表面上创建3D模型是不可能的，工业机器人的引入，可以很好地弥补这一不足。如图3所示，河海大学张弛等[12]提出工业机器人与变位机联动，将变位机与工业机器人视为一个同步工作站,多方位打印复杂零件的内部结构；如图4所示，加泰罗尼亚高级建筑学院创新了挤出技术[13]，利用工业机器人制作3D曲线，打印3D模型，与二维图层不同，3D曲线是可以遵循自定义形状的精确应力线，在打印过程中可以抵消重力的影响。

图1 龙门架和工业机器人组合打印装置

图2 分布式自爬升建筑用3D打印装置

2.1 机器人技术在金属3D打印领域的应用

金属3D打印技术作为整个3D打印体系中的核心技术之一，是先进制造技术的重要组成部分。国外对电弧焊机器人3D打印技术的研究相对较早，我国虽然落后于许多欧美国家，但这些年在很多高校和科研院所的不断努力下，取得了不错的成果。如图5所示，山东大学附属奥泰集团利用KUKA六轴工业机器人与两轴变位机联动，以高强度的钢丝为材料打印出外表精致的金属花瓶；如图6所示，中国装甲兵工程学院朱胜等[14-15]利用现有的金属3D打印设备与六轴工业机器人结合，成功地修复了航空设备上的零部件；上海航天设备制造总厂研制的大型金属构件增材制造装备[16]——同轴工业机器人送粉激光3D打印设备，成功地解决了国内航天领域大型金属构件“铸/锻造+铣削”这一传统制造模式导致的制造周期长、材料利用率低和柔性化程度差等问题，图7所示为同轴送粉打印设备打印的成品。

图3 工业机器人与变位机联动装置

图4 创新性挤出技术

在国外，基于工业机器人的金属3D打印技术应用更为广泛。例如MX3D公司开发出突破性的机器人增材制造技术，可打印尺寸和形状复杂的合金产品，如图8所示，MX3D公司使用六轴工业机器人在荷兰阿姆斯特丹市打印了一座大桥[17]；如图9所示，鹿特丹港的RamLab[18]使用线电弧增材制造(WAAM)工艺与减材制造技术相结合方法，用质量为400 kg、直径为1.30 m的镍、铝和青铜合金印制出第一只船用螺旋桨。六轴机器人为3D打印创造了更大的打印空间和更灵活的打印方式。

图6 改进后的打印设备及修复后成品

图7 同轴送粉打印设备打印的成品

图8 MX3D桥

2.2 机器人技术在生物3D打印领域的应用

随着生物3D打印技术、医疗机器人技术、医学图像处理技术、人工智能等前沿技术的融合，为人类生物医疗领域的发展创造了有利的条件。基于医疗机器人的生物3D打印技术，我国走在世界的前列。例如，北京天智航医疗科技有限公司董事长张送根认为，医疗机器人与生物三维打印技术相结合应用于临床中，具有手术时间短、出血量少、软组织损伤小的优点，同时他还认为，基于医疗机器人的生物3D打印技术对骨组织的修复起着极大的作用。图10所示是已临床应用的天智航生物3D打印机器人[19]。第四军医大学与北京航空航天大学机器人研究所合作把机器人技术运用于生物3D打印技术中[20]，并成功地研发了口腔种植机器人3D打印系统，该系统可以精准高效地完成口腔种植，给后续的动物实验和临床实验打下基础，图11所示是模块化种植模型。中国人民解放军医学院赵燕鹏[21]研发的基于6自由度串联定位机器人骨组织修复的3D打印设备，已成功地在动物身上做了多次骨修复实验，为解决髓内钉锁定孔精确定位这一长久难题提供了可靠的解决方案。图12所示是人体模型的打印过程。

图9 3D打印螺旋桨

图10 天智航生物3D打印机器人

图11 机器人生物3D打印机模块化种植模型

图12 人体模型打印过程

在国外，如图13所示,日本东京大学Maeda等[22]将生物3D打印技术与六轴医疗机器人相结合研发了骨折复位打印机，机器人首先固定足部，然后牵引下肢完成股骨骨折修复。俄罗斯卡巴尔达-巴尔卡尔国立大学先进聚合物新材料实验室主任斯韦特兰娜·哈希罗娃等研制出的新的聚合物，可作为机器人生物3D打印机打印人体假肢的材料[23]。

图13 东京大学骨折复位打印机

2.3 机器人技术在建筑3D打印领域的应用

与传统的建筑建造方式相比，建筑3D打印技术的优势主要在于：使用了工业机器人，建筑3D打印技术能够完成复杂创意形态的建筑模型的建立；工业机器人让设计与建造高度自由化，建造质量安全可靠；建筑3D打印，可使用整体打印、组装打印、群组打印等技术，极大地缩短了工期；建筑3D打印使用的打印材料通常是建筑垃圾或回收的废旧材料，节约、环保。

目前国内利用 3D 打印技术结合工业机器人在建筑工程领域已经取得一定的成效，盈创建筑科技有限公司在这方面取得的成果尤为显著。首先，如图14所示，在2014年利用工业机器人组成的大型3D打印机，把特殊的“油墨”(建筑垃圾)堆叠成了10 幢建筑，用时不到24 h；然后，如图15所示，于2015年在江苏省苏州工业园区，利用改进后的建筑3D打印机打印出一栋五层楼房和一套1 100 m2别墅；最后，如图16和图17所示，于2016年先后打印出“未来办公室”[24]和两套中式风格别墅庭院[25]，其中“未来办公室”在上海经过吊装然后运输抵达迪拜，而别墅庭院利用工业机器人将建材层层叠加，经多层叠加后形成的建筑，每层的厚度为0.6～3.0 cm，该设计特殊之处在于把墙体设计成了“空腔”，然后在“腔”中再次利用3D打印技术填充保温材料，不仅让建筑具有良好的保温效果，而且节约了成本。目前国内将基于工业机器人的3D 打印技术运用于建筑领域还处于起步阶段，仍有许多关键技术和问题亟待解决，但其巨大的应用价值必将引起科研人员的广泛关注，未来基于工业机器人的建筑3D 打印技术发展趋势必然良好。

图14 3D打印五层楼楼房

图15 3D打印1 100 m2别墅

图16 3D打印“未来办公室”

图17 3D打印中式风格别墅

在国外，基于工业机器人的建筑3D打印技术成功运用的案例更多。加泰罗尼亚高级建筑学院TerraPerforma项目中使用的CoGiro机器人，能够进行3种3D打印：机器人打印、现场打印和黏土打印，如图18所示[26]。在英国拉夫堡大学的freeform construction[27-28]项目中，美国麻省理工大学的设计师 Neri Oxman[29]利用工业机器人开发出一台应用于建筑领域的3D打印机，并用混凝土打印出大型构件。图19是荷兰建筑事务所(DUS)的建筑师利用一台名为KamerMaker 的大型 3D 打印机打印出的名为Canal House的建筑。

图18 TerraPerforma项目中用黏土进行三维打印

图19 3D打印的Canal House

3 结束语

目前，3D打印产业规模逐步扩大，行业分布越发密集，整体显现良好的发展趋势。基于机器人的3D打印技术已经有了较为良好的发展开端，具有广阔的应用前景。相信随着与3D打印相关技术的不断完善，必将推动建筑、生物等多领域3D打印的蓬勃发展。本文对比分析了建筑、生物等领域3D打印技术与机器人技术结合的国内外发展情况，可为我国建筑、制造、生物医疗行业的从业者将 3D 打印技术应用到实际中提供参考。