自学编程升级机械臂，3D打印PLA“骨架”，UCL小组太强了！

在学习建筑的路上

你是否踽踽独行

我们想分享

和你聊聊有趣的、不为人知的

小故事

精彩成果展示

▼

[Sub-C]

如何在自动化设计与机器人打印中

充分运用材料特性？

先导片预热

▼

作者｜李嘉康

编辑｜林之茜

本文经授权转自微信号 TransAxis设计坐标

| 项目信息

时间：2018年9月- 2019年10月

软件：Peocessing, Maya, Rhino, Grasshopper, Zbrush, Keyshot, Photoshop, Illustrator, InDesign

设计成员：Jelisejeva Aleksandra，何幸璐，李嘉康，林文轩

指导老师: Pantic Igor, Rosati Martina, Federico Borello

图1：萨尔克研究所前成员合照

图2：设计方案汇报现场

l 课程介绍

UCL巴特莱特建筑学院的Bpro建筑设计研究生课程共分为9个Research Cluster，每个RC都有各自的研究方向，例如AR增强建造、自动化住房和离散建筑系统、半生命材料的设计等等，探讨建筑学的前沿边界和可能性，引领数字化建造的潮流。

整个Bpro课程为期一年，首先会是侧重于软件技能培训的短期Workshop，然后就是Skill Class、论文课以及最重头的——建筑设计课。建筑设计课以4人左右为一组，围绕所属RC的课题展开各自的细分研究，在导师的辅导下进行模型、文本、视频制作等。每年9月学院都会举办BPRO毕业设计展向公众展示最新的研究成果。

图3：UCL标志性的图书馆

图4：巴特莱特建筑学院（The Bartlett）

图5：Processing软件课程教授现场

在这些研究小组中，RC1重点关注机器人3D打印及其在建筑领域的应用。3D打印可以产生具有改善的材料性能的定制输出，包括减轻结构的重量和体积以及增加强度，从而带来新的美学可能性。尽管该技术与建筑行业越来越相关，但是确实面临着无可争议的材料限制和大规模限制，从而阻碍了其发展。

同时，尽管用建筑材料进行印刷正在迅速发展，但由于层状沉积和材料特性（例如混凝土和粘土）的局限性，其几何输出受到限制，例如金属印刷等极其耗时且昂贵。PLA印刷虽然具有丰富的细节和几何输出，但由于其自身物理属性，使得它在更广泛的建筑应用中受到限制。

图6：逐层陶土3D打印（图源网络）

因此，在2018学年中，在探索机器人3D打印及其在建筑领域应用的基础上，RC1希望通过将叠加制造与第二材料系统相结合，在几何、材料和尺寸方面开辟新的可能性。

图7：2018-2019 RC9设计作品

图8：2018-2019 RC5&6设计作品

l 材料选择

拿到题目后，我们小组成员随即展开了头脑风暴，经过一番讨论后决定将混凝土作为第二材料。鉴于机器人可以打印复杂的3D形状，我们将3D打印PLA网架作为模型的“骨架”，然后覆盖混凝土。由于3D打印PLA网架有不同的疏密Pattern，因此在附着了混凝土后，有的会被填补成为面，有的仍然是线条的形式。

图9：不同疏密的PLA网格附着混凝土后的表现

这使原先单薄的PLA网架发生了戏剧性的变化，为设计带来了丰富的形态与质感。我们还通过实验总结了混凝土原材料的不同比例，以找到最适合此设计方式的混凝土配方。

图10：不同的混凝土比例参照实验

通过多组模型的对照试验，混凝土与PLA的搭配产生了有趣的结果。但是混凝土的粗糙质感让最终效果打了一些折扣，于是我们开始试图找寻另一种更适合的材料。我们从中国传统的瓷器受到了启发，决定将第二材料改为陶土。多种釉的烧制还能使模型拥有更多的色彩与光泽，稳固性提高，质感也比混凝土更细腻。

图11：位于Reading的烧陶工坊

图12：陶瓷上釉过程

图13：Bartlett学院模型室的烧釉设备

图14：模型上釉烧制前后对比

直接3D打印陶土仅限某些形状和几何形状，否则可能会导致坍塌损坏。相较之下3D打印PLA网架更为自由。于是，我们确定了最终的方向：基于机械臂空间打印PLA网架的陶土烧制。结合机械臂打印与陶瓷材料各自的优势，探索3D打印新的可能性。由于窑的尺寸限制，我们可以烧制多个模型作为基础单元，然后将其拼接成为更大的空间形体。

图15：基本单元模型组合

l 编程设计

在确定了材料以后，PLA网架的形态设计就成了重点。鉴于网架是由3D打印的，我们使用了Voxel体素（立体像素）这一拥有可层层打印特性的元素作为空间原型。

图16：逐层打印VOXEL的过程（RC1 Liquid）

图17-18：不同Voxel类型与组合与材料附着

我们通过Processing，运用JAVA语言编写了自动化设计的源代码，以Voxel体素为空间结构基础，基于输入的形体坐标和其参数特征生成具有疏密变化的数字模型。

举个例子，在RHINO中建出皮卡丘的模型后，用Grasshopper导出内部点的空间坐标文本。通过Processing程序读取点坐标并绘制管状Voxel，分析一定距离内每个点附近的点数量，分成0-12个、12-22个和12个以上。每组的Voxel对应不同的颜色，因此越边上的Voxel颜色越蓝，越中心的Voxel越黄，中间段为红色。

图19：皮卡丘空间位置坐标TXT数据

图20：Processing软件JAVA编写界面

图21：自动化再设计后的皮卡丘

l 凳子再设计

我们将凳子作为原型，首先通过Maya与Rhino进行原始模型设计与数据提取，然后将数据导入Processing的自动化设计程序中生成多种结构。例如，Y坐标越大Voxel细分越密等。我们通过粒子Boids运动激活Voxel边界的方法进行绘制

图22：Boids绘制原理草图

图23：自动化再设计原理图示

图24：MAYA与Rhino结合工作

图25：凳子Processing再设计过程

图26：基于不同参数的自动化再设计

PLA网架的疏密变化很重要，这直接影响最后附着陶土的效果。因此结果（线）被导出并运用Zbrush进行Second Material的附着模拟，并通过Keyshot进行最终渲染。

图27：不同第二材料附着程度模拟

图28：凳子再设计模型渲染

l 2.5D墙体设计

除了疏密变化，我们希望这个再设计的结果更加富于变化，大自然的漩涡也给了我们一些启发。具有方向性的Voxel可以使得设计更具动态感，增加形态丰富度。因此，在2.5D墙（具有厚度的面）设计中，我们还赋予Voxel不同的方向性。

图29：大自然中的方向性

图30：含有不同方向性Voxel的墙体

我们希望这些疏密和方向变化不仅是由形式出发，还具有相应的功能性。于是我们给2.5D墙施加不同位置和大小的荷载。通过Grasshopper拓扑优化来区分物体中不同的荷载状态，荷载大的Voxel更密，荷载小的Voxel更稀疏。密集的网架更易在附着陶土后成为实面，提高坚固程度，利于承载更多的荷载。荷载状态下，基于墙体内点的应力值方向会赋予Voxel不同的方向性。方向性与疏密性的结合，使得该设计语言拥有更多可控的可能性。

图31：2.5D墙再设计生成过程

图32：不同荷载情况下的2.5D墙再设计

图33：由不同疏密和方向性Voxel组成的墙体

图34：在Zbrush中进行第二材料附着模拟

图35：Keyshot陶瓷上釉渲染模拟

由于墙体和凳子相比，尺度上大了很多，因此PLA网架在实际建造中无法通过机械臂一次性打印完成。我们采用“砌砖墙”的方式，通过打印尺寸适宜的“砖块”并最终组合成墙体。

图36：具有不同方向性和疏密Voxel的砖

图37：粒子在墙体Voxel中运动画线

图38：不同釉彩砖块组合成的墙体设计

l 柱子与展亭设计

除了2.5D的墙体设计，编程设计系统可以运用到柱子、展亭等3D空间的建构之中，适应不同的建筑结构与尺度。和墙体的设计原理相同，我们先在Maya中进行展亭设计，放到Grasshopper中进行力学分析（拓扑优化+应力值向量提取），导入到Processing中进行基于不同疏密和方向性Voxel的再设计，最后经过Zbrush与Keyshot完成附着第二材料的渲染模拟。

图39：不同荷载下的柱子再设计对比

我们还尝试将部分喷涂材料更换成为了混凝土并进行了电脑模拟。这样的做法探索了多种材料的整合，为建筑尺度的应用与建造提供了更多的可能性。

图40：展亭Pavilion的生成步骤

图42：粒子在展亭Voxel中运动画线

图43：不同第二材料组合成的Pavilion

l 机械臂打印

与PLA网架的数字设计并行的，是机械臂3D打印研究。我们在Bartlett的模型室了解了基本的机械臂操作培训后，便开始了针对小组设计的打印方案设计。

图44：模型室的Robot Induction

机械臂打印，指的是通过对机械臂进行加配改装，以实现3D打印。以PLA3D打印为例，在传统的工业机械臂基础上，我们需要自己制作PLA喷头和进行PLA加热的温控装置，以及加速热熔后的PLA冷却凝固的风管。这样，在电脑端Grasshopper以及机械臂控制程序Arduino的指挥下，热熔PLA会随着机械臂的移动和喷头的挤压下喷涂到指定的位置并冷却定型。

图45：温控系统与加热挤出头

首先，我们要解决Voxel自身的空间3D打印问题。空间3D打印涉及到多个参数，如有支撑的线的速度、向上的速度、向下的速度、节点等待时间等，还包括冷却系统的匹配调试。需要经过一系列的比对测试，我们最终得到合适确定的数值用于正式打印。

图46：参数调试过程记录

图47：不同尺寸Voxel的陶瓷上釉效果

解决了Voxel自身的打印问题后，需要研究整个设计的打印方案。经过测试，在打印过程中需要逐层向上，同时每个平面内的线需要是1-2条连续的多段线，保证打印的顺畅不被打断。每两个平面之间需要穿插支撑结构层来保证整体空间打印的高度和稳定性。

图48：逐层打印逻辑图示

图49：Grasshopper中机械臂打印模拟

在打印竖向支撑层时，打印路径应为连续的多段线，且角度不能大于45°，防止高温挤出头对已打印部分造成破坏。由于冷却系统和挤出头的形状尺寸限制，空间打印只能支持一定范围内不同尺寸的印刷。经过测试，2cm-4cm的体素尺寸较为适合机械臂打印。

图50：图案层机械臂打印过程

图51：支撑层机械臂打印过程

l Bpro毕业设计展览

经过了接近一年的准备，九月份，我们来到了最后的展览模型制作阶段。由于学院机械臂数量有限，我们最终联系到了位于西班牙的工厂，将我们的打印参数和数字模型传给工厂进行3D打印加工。由于窑的尺寸限制，想要构筑大尺度的模型需要将其拆分成若干个砖块。每一个砖块由四个面组成。每个面分为5个平面、4个支撑层。我们计划将柱子的再设计成果作为最后的展示。