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產(chǎn)品時間：2023-12-24
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西門子研究員正在使用一種新的軟件技術(shù)將仿生學(xué)和3D打印結(jié)合起來，這種軟件可以自動計算幾何解決方案。這在行業(yè)內(nèi)非常重要，甚至可能會引發(fā)一場變革整個工業(yè)領(lǐng)域的革命。
歷史上很多偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是受到自然界中普通事物的啟發(fā)，這次也是這樣。這次的普通事物就是——樹！西門子中央研究院窗外的樹引起了研究員Christoph Kiener的關(guān)注。Kiener認(rèn)為：“樹由樹干和樹枝構(gòu)成，這種分支結(jié)構(gòu)本身就包含了營養(yǎng)傳輸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)的營養(yǎng)循環(huán)。我們肺部和血管的運作方式與植物根部沒什么不同，液體一直都是這樣被引導(dǎo)和分布的。” 受此啟發(fā)，Kiener開展了對于燃燒器噴嘴的設(shè)計研究。燃燒器噴嘴可以應(yīng)用于電廠和能源處理技術(shù)，將固體、液體燃料或生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w并使之燃燒。Kiener的設(shè)計并非出于偶然。早在2014年，增材制造就被用在過Kiener開發(fā)的一個金屬噴嘴上。這個噴嘴的設(shè)計比其他噴嘴更容易冷卻。因此，即使燃燒器到達(dá)了其可以承受的最高溫度（大約1500攝氏度），燃燒器也不會過熱。這在當(dāng)時是*的成就。
Tobias Kamps在優(yōu)化燃燒器噴嘴的3D設(shè)計。
那次的成功激勵了Kiener繼續(xù)研究使用增材制造，因為它可以在一個組件中結(jié)合更多的特性和配置。Kiener希望能夠在新的領(lǐng)域復(fù)制上一次的成功。在Kiener的*份設(shè)計手稿中可以看到帶有分枝的冷卻管。接著，電腦程序重復(fù)優(yōu)化了這個設(shè)計，并將最后的模型發(fā)送給3D打印機。最后的結(jié)果就像我們下圖看到的這樣——一個由多層交叉著的紋路構(gòu)成的桶大小的塑料燃燒器噴嘴。 這個燃燒器噴嘴是一個很好的仿生學(xué)例子。仿生學(xué)使用自然界經(jīng)過幾百萬年的進(jìn)化完善出的豐富解決方案來設(shè)計產(chǎn)品。今天，多虧了兩種新的制造科技——“生成設(shè)計”和3D打印——這種方式很快就可以為汽車和航空制造等產(chǎn)業(yè)帶來革命性的轉(zhuǎn)型。所謂“生成設(shè)計”，總體而言就是通過計算機和優(yōu)化計算自動生成設(shè)計。Kiener表示：“在西門子，我們希望在我們的產(chǎn)品生命周期管理軟件PLM的幫助下使用這些新的設(shè)計，因為這樣發(fā)展出來的科技通常更加強大，經(jīng)濟適用，檢修更少。”
四兩撥千斤
今天，新的生成式計算機程序擴大了仿生學(xué)的可能性。雖然數(shù)字化的選取過程并不僅限于來自自然界的靈感，但是“生成設(shè)計”計算的時間越長，得出的設(shè)計就越有機。這個結(jié)果并不讓人驚訝，因為得出的結(jié)果通常反映出更好的自然過程。使用這個科技制造出的部件通常十分強大，并且需要更少的材料和能源。這就像自然界里的情況一樣——使用極少的資源取得最大的回報。
這樣，此軟件可以在*不需要人工干涉下完善一個組件的流動特征、導(dǎo)熱性、力量、承重性等性能。更好的是，只要生成軟件計算出了一個解決方案，增材制造就可以快速實現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計，與傳統(tǒng)的鍛造和碾軋相比節(jié)約材料和開支。
加速進(jìn)化
Kiener的燃燒器噴嘴也使用了同樣的過程。Kiener和他的團隊使用了西門子的PLM仿真程序來完善他們的初期手稿。他們在程序里輸入了需要滿足的條件和目標(biāo)，最后得到一個優(yōu)化了的設(shè)計。
在這個項目里，Kiener的目標(biāo)是創(chuàng)造一個不會過熱的燃燒器。在幾天之內(nèi)，PLM程序為冷卻管和分布燃料的導(dǎo)引板計算了幾百種方案，直到找到了一個對于液體流動來說的方案。Kiener感嘆道：“這就是加速進(jìn)化！仿真和測試說明我們的設(shè)計不但完成了它的任務(wù)，并且還比之前的模型更加持久，強大，經(jīng)濟適用。”
相似的，西門子也發(fā)展了其他產(chǎn)品，比如受稍微扭曲的鯊魚鰭啟發(fā)的燃?xì)廨啓C葉片。自2016年起，這些葉片就被用在了商用燃?xì)廨啓C上。這個新的方法也將燃?xì)廨啓C葉片從設(shè)計到生產(chǎn)所需的時間從兩年縮短到了兩個月。
Christoph Kiener站在幾個3D打印出來的樣本后面。
飽含著多種材料的組件
創(chuàng)新的腳步尚未停止。在Kiener旁邊的辦公室里，仿生學(xué)專家Tobias Kamps正在努力開發(fā)一個可以在一個組件中結(jié)合多種材料的打印過程。這個過程同樣受到了仿生學(xué)的啟發(fā)。Kamps介紹說：“一只手臂由骨骼、組織、脈管和皮膚組成。有了增材制造，我們可以使用多種材料制造一整個組件。”舉個例子，要制造一個組件，人們不必采用同樣的材料，而是可以使用昂貴的耐高溫合金制造離熱源近的部分，使用更經(jīng)濟適用的金屬來制造離熱源遠(yuǎn)的部分。