西門子研究員正在使用一種新的軟件技術(shù)將仿生學和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*很多偉大的科學發(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和分布的。” 受此啟發(fā)，Kiener開展了對于燃燒器噴嘴的設計研究。燃燒器噴嘴可以應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)化為可燃氣體并使之燃燒。Kiener的設計并非出于偶然。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。這個噴嘴的設計比其他噴嘴更容易冷卻。因此，即使燃燒器到達了其可以承受的高溫度（大約1500攝氏度），燃燒器也不會過熱。這在當時是的成就。

Tobias Kamps在優(yōu)化燃燒器噴嘴的3D設計。

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)域復制上一次的成功。在Kiener的份設計手稿中可以看到帶有分枝的冷卻管。接著，電腦程序重復優(yōu)化了這個設計，并將后的模型發(fā)送給3D打印機。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例子。仿生學使用自然界經(jīng)過幾百萬年的進化完善出的豐富解決方案來設計產(chǎn)品。今天，多虧了兩種新的制造科技——“生成設計”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“生成設計”，總體而言就是通過計算機和化計算自動生成設計。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的可能性。雖然數(shù)字化的選取過程并不于來自自然界的靈感，但是“生成設計”計算的時間越長，得出的設計就越有機。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)復雜的設計，與傳統(tǒng)的鍛造和碾軋相比節(jié)約材料和開支。

加速進化

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，后得到一個優(yōu)化了的設計。

在這個項目里，Kiener的目標是創(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：“這就是加速進化！仿真和測試說明我們的設計不但完成了它的任務，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)的燃氣輪機葉片。自2016年起，這些葉片就被用在了商用燃氣輪機上。這個新的方法也將燃氣輪機葉片從設計到生產(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的部分。