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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(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(shí)現(xiàn)的營養(yǎng)循環(huán)。我們肺部和血管的運(yùn)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(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Kiener開發(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)了其可以承受的最高溫度（大約1500攝氏度）,，燃燒器也不會(huì)過熱,。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),，并將最后的模型發(fā)送給3D打印機(jī),。最后的結(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)過幾百萬年的進(jìn)化完善出的豐富解決方案來設(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)帶來革命性的轉(zhuǎn)型。所謂“生成設(shè)計(jì)”,，總體而言就是通過計(jì)算機(jī)和優(yōu)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)字化的選取過程并不僅限于來自自然界的靈感,，但是“生成設(shè)計(jì)”計(jì)算的時(shí)間越長,，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最大的回報(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(tuán)隊(duì)使用了西門子的PLM仿真程序來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)，最后得到一個(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)來說的方案。Kiener感嘆道：“這就是加速進(jìn)化,！仿真和測(cè)試說明我們的設(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(gè)可以在一個(gè)組件中結(jié)合多種材料的打印過程,。這個(gè)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(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)適用的金屬來制造離熱源遠(yuǎn)的部分,。