3D tisk umožňuje vyrábět bionické hořáky inspirované rostlinami

Kombinace bioniky a 3D tisku, spolu s novou softwarovou technologií, která automaticky vypočítá geometrická řešení, může způsobit revoluci, která by mohla zásadně změnit celá průmyslová odvětví.

Struktura větví stromů obsahuje transportní systém, který zajišťuje optimalizovaný cyklus živin. Podobně to funguje i v plicích, krevním řečišti nebo v kořenech rostlin. Tento přirozený princip inspiroval výzkumníky ze společnosti Siemens, aby vypracovali studii nového designu hrotů hořáků, které se používají v elektrárnách a v energetických procesních technologiích, kde se spalují palivové plyny.

Na tento nápad se nepřišlo náhodou. Již v roce 2014 byla s pomocí technologie 3D tisku vyrobena první kovová hlavice hořáku. Tento nový způsob konstrukce hlavice výrazně usnadnil chlazení oproti předchozím typům, hořák se nemohl přehřát ani při dosažení maximální teploty okolo 1 500 stupňů Celsia, což byl v té době nebývalý úspěch.

Pozitivní zkušenosti s „vytištěným“ hořákem utvrdily vývojáře ve správnosti tohoto postupu a motivovaly je k další práci na nových možnostech využití co největšího počtu funkcí a sestav v jediné komponentě. První náčrt konstrukční studie ukazoval rozvětvené chladicí kanály.

Následovaly počítačové návrhy, které se optimalizovaly prostřednictvím iterací, kde každá vedla k o něco lepšímu výsledku. Nakonec byl finální návrh odeslán do 3D tiskárny. Výsledkem byl plastová hlavice hořáku o velikosti žárovky a ve tvaru květu fenyklu vystavěná ve vrstvách s vnitřní strukturou propletené žilnatiny.

Hlavice hořáku je dobrým příkladem pro bioniku – design, který využívá bohatství přírody formované evolucí. Dnes, díky dvěma novým výrobním technologiím, „generativnímu navrhování“ a 3D tisku, je tento přístup na pokraji revoluce, která by jednou mohla proměnit průmyslová odvětví, jako jsou výroba automobilů a letadel.

Pokud se navíc tyto nové technologie zkombinují s možnostmi navrhování pomocí PLM softwaru pro správu životního cyklu výrobku, získáme produkt, který bude výkonnější, levnější a bude vyžadovat méně údržby.

Jak získat mnoho z mála

Bionický repertoár dnes dokáže podstatně rozšířit nové generativní počítačové programy. Proces digitálního výběru se přitom neomezuje pouze na nápady z přírody, čím déle se nechá generativní algoritmus počítat, tím více výsledných organických návrhů se objeví.

To ale není žádným překvapením, protože vypočítané výsledky obvykle reflektují vylepšené přírodní procesy. Součásti vyráběné s použitím této technologie jsou obvykle výkonné a vyznačují se nízkou potřebou materiálu a energie, stejně jako je tomu v přírodě, která dokáže dosáhnout maximálních výsledků s velmi omezenými zdroji.

Tímto způsobem software dokáže zdokonalit průtok komponentou, přenos tepla, pevnost, nosnost a jiné vlastnosti. Kromě toho, jakmile generativní software vypočítá řešení, technologie aditivní výroby umožní rychlé provedení i velmi složitých konstrukcí.

Vedle toho, že se zásadně zkracuje doba výroby, dochází k úspoře nákladů na materiál, které jsou nesrovnatelně nižší ve srovnání s konvenčním odléváním a frézováním.

Urychlená evoluce

Stejným procesem prošla i „fenyklová“ hlavice hořáku. Do simulačního programu se zadaly první návrhy a vložily se do něj podmínky, které měly být splněny. Na konci celého procesu pak vzniknul optimalizovaný design. V tomto případě bylo hlavním cílem, aby se hořák nepřehříval.

Během několika dní tak PLM program vypočítal stovky uspořádání pro chladicí systém a vodicí desky, které distribuují hořící palivo. A simulace i testy naznačují, že tento nový design nejen slouží svému účelu, ale je současně odolnější, výkonnější a cenově dostupnější než předchozí modely.

Stejným způsobem společnost Siemens vyvinula také další produkty, jako jsou lopatky spalovací turbíny, které připomínají mírně zkroucené žraločí ploutve. Tyto lopatky se používají v komerčně vyráběných turbínách již od roku 2016. Nová metodika zkrátila dobu od návrhu po výrobu nových lopatek pro spalovací turbíny ze dvou let na dva měsíce.

Více materiálů v jedné komponentě

Zde ale vývoj nekončí. V bionické laboratoři Siemens se současně pracuje na postupech 3D tisku, které v jedné části integrují několik materiálů. I zde se využívají nápady z bioniky. Například, lidská paže se skládá z kostí, tkání, svalů a kůže. Podobně vrstvené komponenty nyní můžeme vyrábět i my, a to aditivními technologiemi.

Komponenta vytvořená generativním algoritmem by se mohla vyrobit z drahých vysokoteplotních slitin pouze částečně – tyto materiály by se použily pouze v místech, která se nachází blízko zdroje tepla. Vzdálenější části by se naopak mohly skládat z běžnějších kovů.