混凝土3D打印市场潜力巨大：中交一公院从装备研发至系统集成

南极熊导读：有研究报告显示，建筑3D打印市场规模将在2032年达到1000亿美元（详见《建筑3D打印市场规模将达到1000亿美元？大大减少搬砖人力》）。现在国内也有十几家厂商已经涉足。其中有一些实力雄厚的企业单位，做出了大量成果。南极熊近期特别推出建筑3D打印系列专题内容，揭示这一领域的最新进展。

南极熊注意到，中交第一公路勘察设计研究院有限公司（简称中交一公院），自2016年成立结构智能建造专职研发中心以来，长期致力于混凝土3D打印技术研发，围绕全产业链实现原始技术创新。近期，南极熊将会通过连载形式，报道中交一公院在混凝土3D打印领域中取得的系列成果。
装备作为混凝土3D打印技术链中的关键环节，决定了打印材料的适用性、打印尺度及复杂结构及构造的可实现性等方方面面。因此，中交一公院从装备入手，开展混凝土3D打印的全技术体系研发。针对工厂预制式，相继研制了机械臂式及龙门式混凝土3D打印机，包括适配的多类型挤出端、工具端；开展了现场原位混凝土3D打印装备研发；软件方面，研发出相对完备高效的混凝土3D打印智能控制系统，2022年认定为国际领先水平。

那么，中交一公院是凭借哪些软硬件成果走向国际前列的呢？

1 基于工业机器人的混凝土3D打印装备
中交一公院开发了机械臂3D打印装备，基于购置的KUKA工业机器人，配置了8米外部附加轴，在原有打印范围基础上实现了单向6米的打印尺度扩展，最大工作半径2.7米。扩展后附加轴移动速度0.5m/s，打印速度0.3m/s，重复定位精度±0.06mm，额定负载120kg。

△基于工业机器人的混凝土3D打印装备

这套混凝土3D打印装备主要解决以下打印难点：
（1）实现六轴联动精准控制，尤其适用于空间曲面、薄壁、扭转悬挑等复杂造型混凝土产品的打印；
（2）满足打印、泵送、挤出耦合性高的材料及参数要求；
（3）全天无间歇打印，设备稳定性高；
（4）配合多类型工具端及出料口使用，实现高精度精确控制。

△图中为异形扭转悬挑立柱打印，高度2.2米，单根打印时长25分钟

2 10米大型5轴龙门混凝土3D打印装备
中交一公院还开发了大尺度、模块化、可扩展的龙门式混凝土3D打印装备，突破大尺度构件打印技术壁垒，打印范围10m×6m×3.6m，单向最大打印速度0.5m/s，重复定位精度±0.2mm，额定负载100kg。有效解决了大跨径、大尺度混凝土构件的打印难题，可实现全天无间歇工作，在保证高精度打印要求的前提下，为混凝土3D打印工程建设提供了更多可能性。

△大型动柱式5轴龙门混凝土3D打印装备

△门牌石分块构件打印，2.6×1.6×1.8m

3 通用型多功能混凝土3D打印工具端
据悉，实现初代装备研发后，在长期的打印测试及实际工程应用中，中交一公院对3D打印装备工具端进行了持续改造升级，以应对多种多样的打印需求、解决打印过程中的实际难题。
定型了十多种不同类型及规格的混凝土打印挤出端，并确定了相应匹配的材料挤出速度、泵压和机械臂移动速度，可实现不同截面形状、尺寸的打印需求，拓展3D打印技术可实现的混凝土结构造型多样性。

△通用型多功能混凝土3D打印工具端

工具端实现五代革新，具有通用性，适配机械臂式及龙门式打印装备，实现了从连续到跳点、固定到旋转、圆头到矩形头的迭代，在打印流量、精度、效率、质量上不断提升，获授权专利4项。
（1）泵车直出式工具端：结构简单，性能稳定，适用于固定圆形出口打印工况和实验打印测试。攻克问题：打印路径不连续时，断点处打印质量差；
（2）同轴式可旋转工具端：以简单的结构实现矩形挤出端打印，打印精度高，且清洗方便。攻克问题：打印质量受泵车工作稳定性影响大，构件表面质量不佳；
（3）螺杆增压工具端：二次加压打印材料，材料挤出更密实，构件强度高。攻克问题：圆形出口的挤出成型头打印的构件层间接触面积小、构件强度低，大悬挑及扭转打印易坍塌；
（4）中空轴可旋转工具端：可实现多规格矩形挤出端打印，设备结构紧凑。攻克问题：打印头体积大，打印过程易与机械臂小臂干涉；
（5）可伸缩可旋转工具端：集成伸缩补偿功能、旋转功能，实现更大尺度矩形截面构件打印。攻克问题：内置于储料筒中的驱动旋转机构易积料，存在清洗死角；长久使用旋转精度低；受机械臂作业空间限制，不能实现高度较高的构件打印。

△混凝土3D打印工具端五代革新

4 混凝土3D打印智能控制系统
2022年，国内混凝土3D打印技术的建模切片、路径规划、打印控制等环节的操作与执行环节相对孤立，市场主流的切片及路径规划等软件主要面向塑料等非混凝土3D打印技术，无法完全适用于混凝土3D打印技术。
于是，针对现有打印设备系统智能化程度低、设备协同控制弱、打印技术可控性差、测试数据无法大批量采集应用、经验数据难于积累等难题，中交一公院在现有装备的研发基础上，进一步开展了控制系统研究，研发出了相对完备高效的软硬件一体化混凝土3D打印智能控制系统。

△混凝土3D打印软硬件一体化智能控制系统架构

全工艺流程3D打印控制系统，基于现场总线架构设计，融合机器人运动控制、传感、现代通信、工业以太网等前沿技术，智能集成所有相关软、硬件，包括混凝土拌合系统、材料泵送系统、工业机器人软硬件系统、3D打印工具端系统，实现了一套系统全流程全设备的控制、监测、预警，解决了材料、环境、设备、参数实时协同及工况监测、人机交互、安全防护等关键技术问题。

△控制系统智能集成所有相关软、硬件

控制系统具体包括系统设置、运动控制、工艺流程控制、工况监测、数据监测与采集五大功能，实现了混凝土3D打印全工艺过程的安全监控、实时反馈、数据采集、打印数据的批量采集、分析，达到3D打印核心技术工厂化多设备系统精准协同。

△打印系统控制及监测界面

其中，多指标系统化实时监测模块包括材料余量监测、泵速监测、打印进程监测、环境监测等功能，显著提高各设备系统的协作效率，明显降低了核心技术人员数量依赖，大幅提高打印效率，实现了系统应用及核心技术应用的可复制性。

△安全监控系统

混凝土3D打印软硬件一体化智能控制系统，极大提高了混凝土3D打印项目生产与项目管理效率，目前操作人员已从4人减少至1人，充分降低了工序复杂度，关键设备数控化率达到100%。智能控制系统的实施监测模块有效降低了作业安全风险，各设备联动控制显著提高了建造效率，同时提高了产品的打印质量，质量损失率下降约20%。整个系统的响应时间均在100ms以内，确保了混凝土3D打印生产流程的高速运转。
目前，该系统软件取得软件著作权4项，获2022年陕西省优秀工程勘察设计一等奖（计算机软件类），被评为“国际领先”水平，引领行业前沿。

△2022年度陕西省优秀勘察设计计算机软件奖一等奖

5 平面与空间路径拟合控制技术
此外，中交一公院还首创了平面路径和空间路径拟合控制技术，弥补了传统水平打印层间悬挑能力差、材料密度分布不均等不足，实现任意复杂三维斜向空间、悬挑结构多自由度灵活打印，使打印位姿和路径走向达到最优态，授权发明专利3项。
基于自主研发的可伸缩可旋转工具端，配合矩形挤出端使用，基于平面路径拟合技术，实现了高精度混凝土打印控制，技术实力达到国内领先水平。

△平面路径拟合技术（左） 矩形挤出端打印示意（右）

△矩形打印头旋转高精度打印

基于空间路径拟合技术，斜向空间、曲面切片、悬挑造型等复杂结构，轻松实现，效果卓越。

△基于空间路径拟合技术实现曲片切片构件打印‍
总结
经过多年的持续研发，中交一公院在混凝土3D打印技术领域，实现了从无到有、从装备到系统集成的全产业链创新，包括：
●机械臂与龙门装备，破解复杂打印难题；
●多功能工具端，满足多样需求；
●软硬件一体化智能控制系统，实现了混凝土3D打印全流程智能监控，提升效率，保障质量，降低风险；
●平面与空间路径拟合控制技术，达到异形构件高精度建造要求。
未来，中交一公院将继续以技术创新引领行业发展，为交通、智慧城市等领域注入新活力。