吕勒奥理工大学利用基于块的实验框架推进自主空中3D打印技术

2025年5月29日，南极熊获悉，瑞典吕勒奥理工大学的一组研究人员开发出了一套完全自主的航空增材制造框架。该系统结合了优化的网格分解和先进的飞行控制技术，能够利用无人机进行3D结构的制造。这一创新技术已经通过实际泡沫结构打印的实验成功得到验证，为专业的3D打印领域带来了新的可能性。

△空中3D打印的视频演示可在此处观看（油管传送门）

空中增材制造从模拟到执行

这种创新方法利用分解算法将CAD模型拆分为可独立打印的子结构，或称为“块”，并以依赖关系图的形式进行组织。这些“块”根据打印可行性和连接约束的顺序被分配给无人机。研究团队定制了一架六旋翼飞行器，装备有装填可发性聚氨酯泡沫的加压罐。无人机在飞行过程中，根据Cura切片软件生成的制造路径，挤出材料进行打印。

为确保精确的材料打印，研究人员开发了一个非线性模型预测控制（NMPC）系统，配备了扰动估计器。这种偏移控制器能够调整无人机的飞行，以应对气流、泡沫耗尽导致的重量变化以及地面效应等因素的影响，这些因素通常在近地作业中会干扰无人机的稳定性。

△航空增材制造系统架构示意图

六边形和空心矩形的实验验证

在配备动作捕捉设备的室内环境中，研究人员对空中增材制造框架进行了测试，采用两种几何形状：一个中心空心的矩形壳体和一个六边形网格。每个模型被成功拆分为八个块体，并按层次进行打印。无人机能够自主导航至它的初始位置并进行罐体交换。

△无人机按顺序打印测试几何体块的快照

为了减少无人机旋翼产生的气流干扰，测试人员在挤出机上安装了防护裙，并采用了阶梯式互锁结构以增强块体间的粘合力。追踪误差保持在2至6厘米之间，基于3D体素的打印路径与参考路径体积比较显示了微小的偏差。尽管存在一些由气流引起的变形，打印出的形状仍保持了足够的精度和完整性，但足以证明这项技术具有很强的开发潜力，未来适用于更加复杂的建筑任务。

△最终固化的泡沫结构由无人机采用基于块的自主打印方法打印

相关研究已提交给《建筑自动化杂志》的预印本，但目前尚未经过同行评审。研究题目为“迈向完全自主、灵活的基于块体的航空增材制造：来自实验验证的见解”。
https://arxiv.org/abs/2502.20549v1

这项研究代表了自主空中3D打印领域的一个重要里程碑。与以往侧重于模拟或有限仿真不同，这种框架能够将硬件设计、路径规划、切片和自主控制集成到一个统一的功能系统中。研究人员指出了未来的研究方向，包括部署多无人机同步打印、与高强度建筑材料的集成，以及基于计算流体动力学（CFD）的材料流分析的改进。