BMW využívá principy bioniky při vývoji automobilů – společný podnik s přírodou

– vozů BMW, které budou při poskytování prvotřídního ničím nerušeného prožitku z jízdy ještě bezpečnější, lehčí, v důsledku toho i úspornější, ale i pohodlnější a dynamičtější i ve světě budoucnosti.

!!!Tento článek je rozsáhlý, ale fakta v něm jsou pro toho, kterého zajímá vývoj vůbec a jeho spojitost s přírodou nanejvýše zajímavý. A netýká se jen konstrukce automobilu!!!

„Bionika“ je velice významný umělý termín, skládá se ze slova „biologie“ a z výrazu „technický rozvoj“. Charakterizuje mezivědní oblast výzkumu, která zkoumá technickou realizaci konstrukčních, procesních a vývojových principů v biologických systémech. V zásadě se však nejedná o nový termín, nýbrž spíše o nový přístup. Již v 16. století Leonardo da Vinci přenesl svá pozorování a znalosti o letu ptáků do pokusů s mávajícími křídly. Podobně použil Antonio Gaudí před více než 120 lety vzory z přírody pro projekt a stavbu své slavné katedrály Sagrada Familia v Barceloně, stavbu stromů a amonity sloužící v tomto případě jako vzory pro mocné věže a sloupy katedrály.

Odborníci BMW využívají základní poznatky bioniky. Metody a koncepce přenášené z bioniky nabízejí velký potenciál pro zlepšení i ve vývoji motorových vozidel – což je přesně ten důvod, proč specialisté BMW takové metody používají při navrhování určitých tvarů a při výběru materiálů. Jako příklad lze uvést design karoserie vozidla, kde BMW používá bionické koncepce a zásady zajišťující technickou vytříbenost v designérských procesech a při výběru materiálů, a to zcela jednoduše z toho důvodu, že není nic takového jako jeden ideální, univerzální materiál a jedna jediná dokonalá konstrukce. Výzva tedy spočívá v nalezení nejvhodnější kombinace materiálů a rysů designu, které budou odpovídat charakteru vozu. Pouze řešení perfektně šité na míru společně se spolehlivou technologií procesu může vytvořit precizní karoserii, lehkou co do hmotnosti a silnou co do konstrukce. Inteligentní lehké strojírenství, pokud jde o konstrukční rysy i o materiály, je tudíž klíčem pro bezpečné a dynamické automobily s vysokým stupněm hospodárnosti s palivem. Prof. Dr. Burkhard Göschel, člen představenstva BMW AG: „Bionické koncepce obohacují a doplňují klasické konstrukční metody. To je přesně to, proč tyto koncepce v BMW používáme všude, kde je to vhodné, proč využíváme potenciálu efektivnosti v procesu tvorby produktu.Materiály a komponenty lze zlepšit pomocí principů podobných vývoji a v této souvislosti nás napadne mnoho příkladů: V úsilí vytvořit inteligentní lehkou konstrukci vidíme, že nižší hmotnost znamená vyšší dynamiku a větší úsporu paliva. Díky tomu jsme prolomili hmotnostní spirálu u současných vozů BMW řady 5 a u nových vozů BMW řady 3: Navzdory daleko vyššímu standardu pohodlí a speciálním bezpečnostním prvkům není celková hmotnost těchto aut vyšší než předtím. Skutečně, současný vůz BMW řady 5 je o více než 40 kilogramů lehčí než jeho předchůdce.“

Žádná šablonovitá řešení. „Bionika“, jak tento výraz chápeme dnes, znamená to, že všechno, dokonce i ty nejsložitější přírodní principy, lze zpravidla přenést a použít ve světě technického výzkumu a vývoje. Omylem, k němuž došlo na počátku bionického věku, se předpokládalo, že příroda nabízí přímé stavební instrukce pro technická řešení všude, vědci ale rychle pochopili, že ani příroda nenabízí šablonovitá řešení a možnosti kopírování použitelné v každé situaci. Bionika tudíž neznamená pouze kopírování přírody v přímém a jasném smyslu; spíše znamená, že se od ní musíme učit a podle ní docházet ke svým vlastním závěrům. Při uplatnění tohoto zaměření jsme nyní více a více schopni chápat principy přírody a realizovat je v inteligentních technických podmínkách. V tomto procesu je při úspěšné a efektivní realizaci „receptů matky přírody“, principů vývoje, které se rovněž uplatňují jako základ pro počítačové optimalizační procesy v konstrukci vozů a hnacích ústrojí, klíčovým faktorem mezivědní dialog mezi inženýrem a biologem.

Obrovský potenciál pro inovaci. Jakmile pochopíme biologické mapy a principy, které jsou na tomto základě abstrahovány, najdeme celou škálu možného technického uplatnění – a přesně to nyní v rostoucí míře oceňují výzkumná oddělení společností na celém světě. Jako příklad můžeme uvést konfiguraci a ošetřování povrchů, samočisticí účinky na bázi lotosu, který se používá nejrůznějšími způsoby a pro mnoho různých účelů, například ve fasádových barvách, ve střešních taškách nebo v textiliích stejně jako v površích aut a dalších vozidel.

Inteligentní lehká technologie – učíme se od přírody. Neexistuje žádný univerzální všelék pro konstrukčně a ekonomicky účinnou, jakož i ekologicky citlivou lehkou produkci a inženýrství. Přesně to je důvod, proč odborníci zkoumají a vyvíjejí vhodná materiálová řešení pro každou komponentu a projekt, proč pracují v několika krocích a proč v procesu uplatňují individuální orientaci. Specialisté zkoumají zejména možnosti snížení hmotnosti, a tedy i úspory energie, společně s výhodami spojenými s konstrukcí a funkčností. A přesně to přináší zákazníkovi přímé a bezprostřední výhody, jízdní dynamiku, pohyblivost a spotřebu paliva ve vozidle, na které má vhodná volba materiálů přímý vliv. V této souvislosti slouží ekologické metody k doplnění srovnávacího studia materiálů, čímž nakonec poskytují smysluplné a přínosné koncepce a konfigurace.

Nalezení nejlepší volby – lehké materiály podle pravidla, že „méně je více“. Ocel je kovem číslo jedna již od okamžiku, kdy byl vynalezen automobil. Snadno se zpracovává a lze ji znovu použít, aniž dojde k jakémukoli zhoršení kvality. Speciální slitiny oceli nabízejí nebývalou sílu a tvrdost a navíc k tomu vynikající odolnost vůči opotřebení. V mnoha případech však vysoká hustota oceli znamená relativně velkou hmotnost.

Přírodní duté konstrukce vytvořené pod vysokým tlakem. V přírodě najdeme mnoho vysoce složitých dutých struktur, které vznikly přirozeně během doby, udržují svou hmotnost na minimu, zajišťují špičkovou pružnost a nabízejí optimální sílu a vytrvalost. A to jsou přesně ty vlastnosti, které potřebujeme i při výrobě automobilů. Dutá struktura brk ptáka nebo umělecky zakřivené tělesné schránky krabů a pavoukovců jsou přírodními vzory se zajímavým funkčním profilem. Jsou všechno – silné, lehké a pružné. Často jsou „vyrobeny“ z jednoho „kusu“ a jsou rovněž schopné, kdykoli je to nutné, absorbovat velké množství energie – takže jsou pro svůj příslušný účel ideální.Pomocí sofistikované technologie procesu nazvané interní vysokotlaké lisování došli specialisté BMW k závěru, že tyto i podobné funkční profily lze používat při navrhování podvozku a zavěšení vozidel. Interní vysokotlaké lisování se používá například na zadní nápravě, kdy se kovové trubky nejprve sestaví a potom umístní do formy. Potom se pod vysokým tlakem oběma konci natlačí do trubky hydraulická kapalina nebo vzduch, přičemž kov získá pod obrovským tlakem 2400 bar kontury formy.Tato výrobní technologie je schopná poskytnout komponenty s pravou geometrií a konfigurací pro prostor pod podlahou vozidla, s dokonalým využitím prostoru, který je k dispozici v zájmu extra síly a pevnosti nápravy, i při současném ušetření hmotnosti. Doposud je BMW jediným výrobcem automobilů, který vyrábí takovéto složité, vnitřně formované komponenty.Pro další snižování hmotnosti je nejvhodnější hliník. Má malou hustotu, je relativně lehký, snadno se formuje a lisuje, je odolný vůči korozi a nabízí vysoký stupeň teplotní vodivosti. Přesně z tohoto důvodu se hliník nyní používá v automobilovém průmyslu v mnoha komponentách podvozku, na karoserii a v hnacím ústrojí. Mezi nevýhody, které mluví v neprospěch celosvětového uplatnění hliníku, patří však v první řadě velké množství energie potřebné pro jeho získání a komplikovaná a nákladná technologie procesu, která se zde uplatňuje. Napodobování lehkých kostních struktur – kovová pěna.Inženýři BMW Group v Inovačním a technologickém centru společnosti v Landshutu u Mnichova v současné době zkoumají další možnosti použití hliníku. Komponenty podepřené a zesílené pěnovými strukturami nabízejí například mimořádně pozitivní rovnováhu síly a hustoty. Například foukání plynu nebo plnění hliníkové formy chemicky citlivým granulátem slouží k vytvoření vysoce porózní struktury hliníkové pěny. Vzhledem ke svým dobrým vlastnostem při absorbování energie a tlumení jak vibrací, tak i hluku čeká na kovovou pěnu ve výrobě automobilů skvělá budoucnost. Při vývoji vhodných procesů sloužících k tomuto účelu se specialisté BMW na lehké technologie zaměřují zejména na kostní strukturu savců a ptáků, jelikož silná stránka přírody spočívá v používání nosných, pevných materiálů pouze tam, kde je to absolutně nutné, a v doplňování takových materiálů, kdykoli je to možné, lehkými, křehkými strukturami a složením.Jedním z příkladů z ptačí říše, jak příroda využívá špičkovou absorpci energie z pěnových materiálů, je sova: Kdykoli tento noční pták musí během dne náhle opustit místo svého spánku, pevná struktura jeho lebky vydrží bez problémů i tvrdé nárazy do překážek, které se najednou před ním objeví. Jiným příkladem je kostní struktura hlavy slona, která váží pouze několik kilogramů, ale i přesto je schopná unést značný náklad, když uvážíme, že slon je schopen snadno přemisťovat na hlavě náklad vážící i několik stovek kilogramů.Dalším velmi slibným a lehkých materiálem – pokud se lisuje a používá správně – je hořčík. V zásadě řečeno, hořčík je až o 33 procent lehčí než hliník a o 77 procent lehčí než ocel. V procesu přeformulovávání možností jeho použití v konstrukci vozů specialisté BMW dále tento materiál vyvíjejí a zdokonalují: Pomocí speciální slitiny a sofistikované technologie procesu zahájila společnost BMW nedávno výrobu klikové skříně z hořčíku a hliníku pro jeden ze svých šestiválcových pohonů. Tato kombinace materiálů ušetří přibližně 10 kilogramů v samotné této aplikaci. A kombinací hořčíku a hliníku vybrali specialisté BMW vzory, které se v zásadě velmi podobají upínacím strukturám žahavých tobolek na sasankách nebo medúzách, což znamená, že za model opět stála příroda. Celková hmotnost versus silná nosná konstrukce – jako příklad lehké technologie vezměme koně. V současné době zkoumají odborníci na kovy v BMW Group přírodní lehké konstrukce v živočišném světě, které se za stovky milionů let ideálně vytvarovaly a zoptimalizovaly. Například konstrukce karoserie vozidla slouží stejně jako kostra savců k držení a podpírání mnoha dalších komponent. V této souvislosti je tudíž zajímavé porovnat hmotnost takové nosné konstrukce s celkovou zapojenou hmotností – ať už se jedná o auto nebo o zvíře.Ve vozech BMW řady 3 představuje karoserie přibližně 20 procent celkové hmotnosti vozidla. Kostra lidské bytosti pro srovnání představuje až 18 procent hmotnosti těla. Pokud vezmeme jiné srovnání, tuto rovnováhu zdokonalil kůň, jeho kosti představují pouhých 7 – 10 procent jeho celkové hmotnosti, zbytek slouží hlavně pro výkon a energii. To je jeden z důvodů, proč koně získali v průběhu staletí skvělou pověst vysoce výkonných zvířat pro těžkou práci a nošení těžkého nákladu. A tajemství této efektivní hmotnostní rovnováhy se skrývá ve stavbě a hustotě kostí koně.

Pěna není vždy pěna. Odborníci zaměřující se na pěnové materiály hledají vhodné technologie procesu, které zajistí, že vzory z přírody budou co nejspolehlivější a nejpřesnější. Jedním z jejich primárních cílů je vytvořit pěnovou strukturu a hustotu pěny šité na míru konkrétně různým zátěžovým požadavkům jako v případě kostí, jelikož struktura materiálu je pro vlastnosti komponenty nebo vytvořené sestavy zásadní. Například jednotlivé prvky plástve medu v úlu jsou jako individuální jednotky nebo komponenty vysoce flexibilní, ale zároveň i velmi křehké. Složené ve struktuře jsou na druhou stranu pozoruhodně odolné a stabilní, přičemž si stále uchovávají své flexibilní deformační vlastnosti.Polymery – lehké struktury, které jsou příjemné a nabízejí špičkovou bezpečnost. Přesuňme se nyní do světa plastů, kde zjistíme, že i konkrétní aplikace v procesním inženýrství jsou schopny úspěšně vyjádřit určité přírodní vzory. Například při výběru materiálu pro přístrojovou desku současných vozů BMW řady 3 bylo úkolem najít a zpracovat materiál, který bude schopen absorbovat energii, nabídnout vhodné ergonomické vlastnosti a splňovat požadavky na úsporu v jednom.Zde se inženýři z Inovačního a technologického centra BMW v Landshutu opět inspirovali přírodou a vyvinuli zcela novou technologii procesu nazvanou integrální zpěňování s odléváním se vstřikováním. V tomto procesu se do plastové taveniny uvolňující plyn přidávají při definovaném postupu při vysokých teplotách pohonné látky, což lze přirovnat k účinku droždí, které funguje jako jakási pohonná látka v koláči. Jakmile je forma naplněná a povrchové plochy komponenty ztvrdly a jsou pevné, otevře se forma v přesně definovaném procesu.Tím se snižuje tlak uvnitř komponenty, která je uvnitř stále kapalná, díky čemuž plyn v tomto procesu plastovou taveninu napění a sníží hmotnost komponenty přibližně o 20 procent. Ve své struktuře se takto vytvořená plastová pěna opět podobá kostem s pěnovitou vnitřní tkání. Tento materiál je lehký, vydrží velkou zátěž a působení velké síly a díky své vymezené elastičnosti je příjemný i přirozený.

Design a konfigurace komponent motoru: vývoj pomocí počítače. Největší jedinou komponentou v rámci motoru je kliková skříň. Aby byl její tvar a design skutečně ideální, musí být lehká a současně musí splňovat všechny náročné požadavky ohledně termodynamiky, dlouhodobé síly, odolnosti a přesnosti. Pro vytvoření přesně takového designu používají specialisté pro vývoj motoru v BMW počítačový přístup nazvaný Soft Kill Option neboli SKO. Jeho podstatou je v tomto případě úspěšné postupné odstraňování zatěžovaného materiálu, v tomto případě v minimálně patnácti fázích jdoucích jedna za druhou.V těchto patnácti opakujících se krocích počítač „školí“ komponenty pomocí matematických algoritmů tvořících vhodně modifikovanou geometrii, aby byly splněny nastavené požadavky, přičemž v každém kroku se zkoumá síla komponenty a její odolnost vůči zátěži. Je jasné, že části vystavené malé zátěži a malým stresovým podmínkám čelí jiným požadavkům než části, které musí vydržet působení velké síly. Podstatou tohoto přístupu je tudíž to, že inženýr dokáže definovat „lehké“ a „těžké“ části materiálů.Cílem tohoto procesu přetvarování je snížit hmotnost klikové skříně. A zde se můžeme inspirovat atletem, například maratónským běžcem, který na jedné straně spaluje tuk a druhé straně tvoří svaly. Na konci dne je jeho tělo schopno dosáhnout vyššího výkonu a je zároveň i lehčí. Dr. Peter Nefischer, specialista na vývoj motorů v BMW: „Popsaná metoda optimalizace struktur se v procesu vývoje řad uplatňuje na velké množství malých komponent již od samého začátku. Například podpěra alternátoru, konektor sacího kanálu hlavy válce a skříň turbokompresoru u dieselových motorů byly „vyškoleny“ pomocí číselných procesů, jako je Soft Kill Option, a jsou nyní v optimalizovaném designu lehčí až o 40 procent.“ Tvorba designu a tvarů, jaké jste nikdy předtím neviděli – kolo motocyklu K 1200 S. Neobvyklé tvary mají často neznámý potenciál při úspoře materiálu a v souladu s tím i ve snížení hmotnosti za definovaných provozních podmínek. Například nekonvenční tvar nového ráfku kola motocyklu, který společnost BMW nedávno vyvinula, je výsledkem speciálních počítačových optimalizačních procesů, během nichž jsou vlastnosti komponenty nepřetržitě optimalizovány za různých jízdních a zátěžových podmínek. Pomocí počítače je odborník schopen simulovat zatížení vytvořené nárazy a nerovným povrchem vozovky, změnami při kroucení a při brzdných manévrech. Síly vzniklé při procesu jsou analyzovány a jejich interakce je pečlivě studována. Při tomto topologickém vývojovém procesu počítačové optimalizace (CAO) pracuje počítačový program na konstrukčních prostorech a dimenzích, které jsou k dispozici. Dalším parametrem, který inženýr zadá, může být i požadované snížení hmotnosti. V takovém případě počítač vypočítá, které části komponenty mohou být vypuštěny, aniž dojde ke zhoršení požadovaných vlastností. Cílem je jasné představení interakce hmotnosti a tvrdosti za specifických podmínek, v procesu hledání optimálního výsledku. Software, který se pro tento účel používá, prochází několika opakováními, na základě průběžných výsledků vypracovává konkrétní matematické závěry a znovu a znovu spouští proces výpočtů, při němž postupuje od posledních vypočítaných faktorů. Konečně i ten nejlepší design pro motocyklový ráfek byl vyvinut na základě příkladů z přírody: stejně jako v rozvětvení na větvi vzniká v místě, kde se ramena na ráfku kola rozcházejí, velká síla a napětí. Strom určité části rozvětvení zesiluje, aby na určitých místech předešel vzniku maximálního zatížení, čímž rozkládá napětí a síly rovnoměrně po celé „komponentě“. Také strukturou se nový ráfek kola motocyklu vyrobený z hliníku a používaný na modelu BMW K 1200 S od ledna 2005 opírá o přírodu, v tomto případě o kost savců. Struktura částí vystavených zvláště velkému zatížení a velkým silám byla zesílena, aby bylo dosaženo maximální síly.

Optimalizace proudění vzduchu kolem hnacího ústrojí – se vzduchem proudícím jako voda v řece. Potrubí pro nasávaní vzduchu je v dieselovém motoru potrubím pro nasávání čistého vzduchu spojující vzduchový filtr s turbokompresorem poháněným výfukovými plyny a sloužící k nasávání vzduchu, který motor potřebuje pro spalování. Pro dosažení maximálního výkonu motoru je důležité, aby se vzduch dostával do motoru rychle, konzistentně a v přiměřeném množství. Cílem optimalizace podmínek proudění je dosažení maximálního, konzistentního proudění vzduchu s maximální ztrátou podtlaku v sacím systému a tím i maximálního výkonu motoru. Zde je nyní možné modifikovat dimenze výrobní části s cílem zlepšit její výkon. Toto děláme tím, že měníme a analyzujeme tvar příslušné komponenty v rámci povolených limitů, dokud nedosáhneme zlepšení v procesu, kterému říkáme strategie evoluční optimalizace. Stejně jako při přirozeném proudění, kde proces proudění představuje cestu minimálního odporu, vypočítá počítač ideální strukturu potrubí nasávaného vzduchu a „školí“ komponentu tak dlouho, dokud nedosáhne maximálního výkonu. Ztráta tlaku v takto optimalizovaném potrubí nasávaného vzduchu je až o 14 procent nižší než v současném sériovém řešení, což je očividně výrazné zlepšení. Takto získané znalosti se poté zužitkovávají v další generaci motorů.

Ryby, delfíni, tučňáci – optimalizace vlastností proudění. Vytvořením vozu H2R se světovým rychlostním rekordem vytvořili inženýři BMW milník v automobilové historii. Šestilitrový motor s dvanáctiválcovým pohonem jezdící na vodík dosahuje maximálního výkonu 210 kW/285 koní. Díky tomu tento prototyp zrychlí z 0 na 100 km/h asi za 5 vteřin a dosahuje maximální rychlosti 300,175 km/h, což je potvrzeno FIA. Tuto velmi vysokou rychlost umožňují aerodynamické vlastnosti optimalizované do extrému. Zaoblená přední a zadní část vozidla společně s mimořádně malými předními plochami poskytují vynikající součinitel vzdušného odporu ve výši 0,21. Pro srovnání, u sedanu BMW řady 7 rovněž zdokonaleného, pokud jde o aerodynamický tvar, je součinitel vzdušného odporu navzdory velkým rozměrům vozidla podobně působivý, tj. 0,29, zatímco součinitel vzdušného odporu míče je obrovský – 0,50. Vzory z přírody pro tento automobil s rychlostním rekordem lze najít ve světě zvířat: Ve svém tvaru a designu H2R napodobuje tělo delfína nebo tučňáka, které se vyznačuje nízkým odporem, jakož i zvláštní tvar a formu křídel nebo ploutví zvířat. Stejně jako tito přirození šampióni v oblasti aerodynamiky je H2R tedy schopen v zájmu minimálního odporu chránit proudění vzduchu před přerušením a zajistit proudění bez vírů a s nízkými turbulencemi.

Cílený vývoj – učíme se od přírody. Dnes je možné některé technické úspěchy v oblasti mobility a jejich zřetelné vlastnosti porovnat všemi možnými prostředky s přírodou. V mnoha oblastech zůstávají ty nejlepší technické úspěchy v porovnání s biologickými řešeními, vycházejícími ze stovek milionů let vývoje, daleko pozadu. Například rostliny a živočichové často dosahují vyššího stupně efektivnosti pomocí menšího množství materiálu. Tyto optimální vlastnosti se vyvinuly v nesčetných cyklech úprav za neustále se měnících podmínek a požadavků životního prostředí. Efektivní řešení perfektně šitá na míru obecným podmínkám a začleněná harmonicky do nepřetržitých cyklů se ukázala jako úspěšná a přežila tisíciletí. Více než kdykoli předtím nabízí bionika inženýrům ve všech vědních oborech příležitost k urychlení a k zužitkování principu pokusu a omylu, kterým se příroda důsledně řídí po celou dobu vývoje, a tedy k získávání poznatků z přírody a k mnohem rychlejšímu dosahování vynikajících výsledků. Úkolem je tedy zaměřit se více na principy přírody při utváření a zdokonalování mobility v našem rychle se pohybujícím světě. Specialisté BMW jsou rádi, že se při rozšiřování a zlepšování klasických designérských zásad týkajících se výrobků a procesů mohou prostřednictvím bioniky inspirovat přírodou. A možnosti, které jsou v tomto případě k dispozici, jsou velmi slibné, a to nejen ve výzkumu materiálů či při navrhování konstrukcí.