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，瑞典呂勒奧理工大學的一組研究人員開發出了一套完全自主的航空增材制造框架。該系統結合了優化的網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。這一創新技術已經通過實際泡沫結構打印的實驗成功得到驗證，為專業的3D打印領域帶來了新的可能性。
空中增材制造從模擬到執行
這種創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，裝備有裝填可發性聚氨酯泡沫的加壓罐。無人機在飛行過程中，根據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，研究人員開發了一個非線性模型預測控制（NMPC）系統，配備了擾動估計器。這種偏移控制器能夠調整無人機的飛行，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中會干擾無人機的穩定性。
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環境中，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。
為了減少無人機旋翼產生的氣流干擾，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潛力，未來適用于更加復雜的建筑任務。
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。與以往側重于模擬或有限仿真不同，這種框架能夠將硬件設計、路徑規劃、切片和自主控制集成到一個統一的功能系統中。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。
(責任編輯：admin)
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