Horák so zeleninovou hlavicou

Kombinácia bioniky a 3D tlače – spolu s novou softvérovou technológiou, ktorá automaticky vypočíta geometrické riešenie – môže spustiť revolúciu, ktorá zásadne zmení celé priemyselné odvetvia. A pritom je to všetko o prírode.

Štruktúra vetiev stromov obsahuje transportný systém, ktorý zabezpečuje optimálny cyklus živín. Podobne to funguje aj v pľúcach, krvnom riečisku alebo v koreňoch rastlín. Tento prirodzený princíp inšpiroval tím Christopha Keinera zo Siemens Corporate Technology v Mníchove pri hľadaní nového riešenia hrotov horákov, ktoré sa používajú v elektrárňach a v ďalších energetických technológiách, kde sa spaľujú kvapalné palivá alebo biomasu.

Nápad neprišiel náhodou. Už v roku 2014 vyrobili 3D tlačou prvú kovovú hlavicu horáka. Nový spôsob konštrukcie v porovnaní s klasickým riešením výrazne uľahčil chladenie, horák sa nemohol prehriať ani pri dosiahnutí maximálnej teploty 1 500 stupňov Celzia, čo bol v tom čase veľký úspech. Dnes je pripravený do sériovej výroby.

Nový horák motivoval výskumníkov hľadať možnosti, ako pridať ďalšie funkcie a unikátne vlastnosti. Prvý náčrt konštrukčnej štúdie ukazoval rozvetvené chladiace kanály. Nasledovali počítačové návrhy, ktoré sa optimalizovali prostredníctvom iterácií, pričom každá viedla k trochu lepšiemu výsledku. Finálny návrh odoslali do 3D tlačiarne. Výsledkom bola plastová hlavica horáka s veľkosťou žiarovky a tvarom karfiolu, vystavaná vo vrstvách s vnútornou štruktúrou prepletenej žilnatiny.

Inšpirácie z prírody
Nová hlavica horáka je príkladom bioniky – dizajnu, ktorý využíva skúsenosti prírody. Bionika čoraz viac pomáha pri hľadaní efektívnych a zároveň ľahkých konštrukcií, v čom je evolúcia skutočný majster. Odhaduje sa, že pri využití ľahkých štruktúr z prírody možno dosiahnuť až 50-percentné úspory materiálu.

Christopha Keinera a jeho tím inšpirovala pri návrhu hrotov horákov príroda.

Bionickému dizajnu sa napríklad intenzívne venuje spoločnosť Airbus, ktorá skúša napodobniť kožu žralokov pri vývoji náterových látok na zlepšenie aerodynamiky. Vyvíja tiež biopolymérovú membránu, ktorá mení štruktúru a mohla by nahradiť zložitú a ťažkú konštrukciu okien na trupoch lietadiel. Bionickú kabínu predstavila vo svojom koncepte 2050 a vyzerá naozaj ľahko a atraktívne.

Možnosti bioniky sú obrovské. Prezident Medzinárodnej spoločnosti pre bionické inžinierstvo Julian Vincent odhaduje, že v súčasnosti sa biológia a technológia z hľadiska použitých mechanizmov prekrývajú len z dvanástich percent.

Urýchlená evolúci
Bionika dnes dostala dvoch významných spoluhráčov: softvéry na „generatívne navrhovanie“ a 3D tlač. Ich spojenie by mohlo odštartovať revolúciu, ktorá zmení celé priemyselné odvetvia. Ak sa navyše tieto technológie skombinujú s možnosťami navrhovania pomocou PLM softvéru, možno získať produkt, ktorý bude výkonnejší, ľahší, lacnejší a výnimočne spoľahlivý bez potreby častej údržby.

Proces digitálneho návrhu sa pritom nemusí obmedzovať len na kopírovanie prírody. Čím dlhšie sa nechá generatívny algoritmus počítať, tým viac výsledných organických návrhov vytvorí. Vypočítané výsledky pritom zvyčajne vylepšujú prírodné procesy. Súčiastky navrhnuté touto technológiou sú výkonné a vyznačujú sa nízkou potrebou materiálu a energie. Softvér zdokonaľuje prietok súčiastkou, prenos tepla, pevnosť, nosnosť a iné vlastnosti. Hneď ako generatívny softvér vyráta riešenie, technológia aditívnej výroby umožní rýchlu výrobu bez ohľadu na zložitosť konštrukcie. Okrem zásadného skrátenia produkčných časov sa šetria náklady na materiál, ktoré sú oveľa nižšie v porovnaní s konvenčným odlievaním a frézovaním.

Nové kombinácie
Rovnakým procesom prešla aj „karfiolová“ hlavica horáka. Do simulačného programu sa zadali prvé návrhy a vložili sa podmienky, ktoré mali byť splnené. Na konci celého procesu potom vznikol optimalizovaný dizajn. V tomto prípade bol hlavný cieľ, aby sa horák neprehrieval.

PLM program potom vypočítal stovky usporiadaní chladiaceho systému a vodiacich dosiek, ktoré distribuujú horiace palivo. A simulácie i testy naznačujú, že nový dizajn nielen dobre plní svoj účel, ale je aj odolnejší, výkonnejší a cenovo dostupnejší ako predchádzajúce modely.

V bionickom laboratóriu Siemensu pracujú na nových postupoch 3D tlače.

Vývoj sa však nekončí. V bionickom laboratóriu spoločnosti Siemens pracujú na postupoch 3D tlače, ktoré v jedinej súčiastke integrujú niekoľko materiálov. Aj tu sa využívajú postupy z bioniky. „Rameno človeka sa skladá z kostí, tkanív, svalov a kože. Podobne zložené komponenty teraz skúšame umelo vyrábať aditívnymi technológiami. Drahé vysokoteplotné zliatiny by sme potom mohli použiť iba čiastočne – na miestach, ktoré sa nachádzajú blízko zdroja tepla. Vzdialenejšie by sa, naopak, mohli skladať z bežnejších kovov,“ vysvetľuje Ch. Keiner. Jeho tím nielenže optimalizuje umiestnenie materiálu, ale skúma a využíva aj jeho vlastnosti. „To už nie je len čistá konštrukcia alebo čisté materiálové inžinierstvo, ale obe spojené dohromady, aby priniesli podstatne vyššiu kvalitu,“ upozorňuje Ch. Keiner.

FOTO: Pictures of the Future