西門子研究員正在使用一種新的軟件技術將仿生學和3D打印結合起來，這種軟件可以自動計算幾何解決方案。這在行業(yè)內非常重要，甚至可能會引發(fā)一場變革整個工業(yè)領域的革命。

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的關注。Kiener認為：“樹由樹干和樹枝構成，這種分支結構本身就包含了營養(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，將固體、液體燃料或生物質能轉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合更多的特性和配置。Kiener希望能夠在新的領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。后的結果就像我們下圖看到的這樣——一個由多層交叉著的紋路構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業(yè)帶來革命性的轉型。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。這個結果并不讓人驚訝，因為得出的結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，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。