呂勒奧理工大學利用基于塊的實驗框架推進自主空中3D打印技術

2025年5月29日，南極熊獲悉，瑞典呂勒奧理工大學的一組研究人員開發(fā)出了一套完全自主的航空增材制造框架。該系統(tǒng)結合了優(yōu)化的網(wǎng)格分解和先進的飛行控制技術，能夠利用無人機進行3D結構的制造。這一創(chuàng)新技術已經(jīng)通過實際泡沫結構打印的實驗成功得到驗證，為專業(yè)的3D打印領域帶來了新的可能性。

△空中3D打印的視頻演示可在此處觀看（油管傳送門）

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模型拆分為可獨立打印的子結構，或稱為“塊”，并以依賴關系圖的形式進行組織。這些“塊”根據(jù)打印可行性和連接約束的順序被分配給無人機。研究團隊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。無人機在飛行過程中，根據(jù)Cura切片軟件生成的制造路徑，擠出材料進行打印。

為確保精確的材料打印，研究人員開發(fā)了一個非線性模型預測控制（NMPC）系統(tǒng)，配備了擾動估計器。這種偏移控制器能夠調(diào)整無人機的飛行，以應對氣流、泡沫耗盡導致的重量變化以及地面效應等因素的影響，這些因素通常在近地作業(yè)中會干擾無人機的穩(wěn)定性。

△航空增材制造系統(tǒng)架構示意圖

六邊形和空心矩形的實驗驗證

在配備動作捕捉設備的室內(nèi)環(huán)境中，研究人員對空中增材制造框架進行了測試，采用兩種幾何形狀：一個中心空心的矩形殼體和一個六邊形網(wǎng)格。每個模型被成功拆分為八個塊體，并按層次進行打印。無人機能夠自主導航至它的初始位置并進行罐體交換。

△無人機按順序打印測試幾何體塊的快照

為了減少無人機旋翼產(chǎn)生的氣流干擾，測試人員在擠出機上安裝了防護裙，并采用了階梯式互鎖結構以增強塊體間的粘合力。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，但足以證明這項技術具有很強的開發(fā)潛力，未來適用于更加復雜的建筑任務。

△最終固化的泡沫結構由無人機采用基于塊的自主打印方法打印

相關研究已提交給《建筑自動化雜志》的預印本，但目前尚未經(jīng)過同行評審。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：來自實驗驗證的見解”。
https://arxiv.org/abs/2502.20549v1

這項研究代表了自主空中3D打印領域的一個重要里程碑。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�設計、路徑規(guī)劃、切片和自主控制集成到一個統(tǒng)一的功能系統(tǒng)中。研究人員指出了未來的研究方向，包括部署多無人機同步打印、與高強度建筑材料的集成，以及基于計算流體動力學（CFD）的材料流分析的改進。