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(lái)，這種軟件可以自動(dòng)計(jì)算幾何解決方案。這在行業(yè)內(nèi)非常重要，甚至可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)變革整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的革命。

歷*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(shù)！西門子中央研究院窗外的樹(shù)引起了研究員Christoph Kiener的關(guān)注。Kiener認(rèn)為：“樹(shù)由樹(shù)干和樹(shù)枝構(gòu)成，這種分支結(jié)構(gòu)本身就包含了營(yíng)養(yǎng)傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)。我們肺部和血管的運(yùn)作方式與植物根部沒(méi)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(kāi)展了對(duì)于燃燒器噴嘴的設(shè)計(jì)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(jì)并非出于偶然。早在2014年，增材制造就被用在過(guò)Kiener開(kāi)發(fā)的一個(gè)金屬噴嘴上。這個(gè)噴嘴的設(shè)計(jì)比其他噴嘴更容易冷卻。因此，即使燃燒器到達(dá)了其可以承受的高溫度（大約1500攝氏度），燃燒器也不會(huì)過(guò)熱。這在當(dāng)時(shí)是的成就。

Tobias Kamps在優(yōu)化燃燒器噴嘴的3D設(shè)計(jì)。

那次的成功激勵(lì)了Kiener繼續(xù)研究使用增材制造，因?yàn)樗梢栽谝粋€(gè)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(jì)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(gè)設(shè)計(jì)，并將后的模型發(fā)送給3D打印機(jī)。后的結(jié)果就像我們下圖看到的這樣——一個(gè)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(gè)燃燒器噴嘴是一個(gè)很好的仿生學(xué)例子。仿生學(xué)使用自然界經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年的進(jìn)化完善出的豐富解決方案來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。今天，多虧了兩種新的制造科技——“生成設(shè)計(jì)”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(lái)革命性的轉(zhuǎn)型。所謂“生成設(shè)計(jì)”，總體而言就是通過(guò)計(jì)算機(jī)和化計(jì)算自動(dòng)生成設(shè)計(jì)。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(jì)，因?yàn)檫@樣發(fā)展出來(lái)的科技通常更加強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)適用，檢修更少。”

四兩撥千斤

今天，新的生成式計(jì)算機(jī)程序擴(kuò)大了仿生學(xué)的可能性。雖然數(shù)字化的選取過(guò)程并不于來(lái)自自然界的靈感，但是“生成設(shè)計(jì)”計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)，得出的設(shè)計(jì)就越有機(jī)。這個(gè)結(jié)果并不讓人驚訝，因?yàn)榈贸龅慕Y(jié)果通常反映出更好的自然過(guò)程。使用這個(gè)科技制造出的部件通常十分強(qiáng)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(bào)。

這樣，此軟件可以在*不需要人工干涉下完善一個(gè)組件的流動(dòng)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(jì)算出了一個(gè)解決方案，增材制造就可以快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的鍛造和碾軋相比節(jié)約材料和開(kāi)支。

加速進(jìn)化

Kiener的燃燒器噴嘴也使用了同樣的過(guò)程。Kiener和他的團(tuán)隊(duì)使用了西門子的PLM仿真程序來(lái)完善他們的初期手稿。他們?cè)诔绦蚶镙斎肓诵枰獫M足的條件和目標(biāo)，后得到一個(gè)優(yōu)化了的設(shè)計(jì)。

在這個(gè)項(xiàng)目里，Kiener的目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)不會(huì)過(guò)熱的燃燒器。在幾天之內(nèi)，PLM程序?yàn)槔鋮s管和分布燃料的導(dǎo)引板計(jì)算了幾百種方案，直到找到了一個(gè)對(duì)于液體流動(dòng)來(lái)說(shuō)的方案。Kiener感嘆道：“這就是加速進(jìn)化！仿真和測(cè)試說(shuō)明我們的設(shè)計(jì)不但完成了它的任務(wù)，并且還比之前的模型更加持久，強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)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(yú)鰭啟發(fā)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片。自2016年起，這些葉片就被用在了商用燃?xì)廨啓C(jī)上。這個(gè)新的方法也將燃?xì)廨啓C(jī)葉片從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)所需的時(shí)間從兩年縮短到了兩個(gè)月。

Christoph Kiener站在幾個(gè)3D打印出來(lái)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(kāi)發(fā)一個(gè)可以在一個(gè)組件中結(jié)合多種材料的打印過(guò)程。這個(gè)過(guò)程同樣受到了仿生學(xué)的啟發(fā)。Kamps介紹說(shuō)：“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(gè)組件。”舉個(gè)例子，要制造一個(gè)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(jì)適用的金屬來(lái)制造離熱源遠(yuǎn)的部分。