Алексей Боровков выступил с пленарным докладом на конференции «Цифровое материаловедение-2024»

30–31 октября в рамках конгресса «Русский инженер» состоялась научно-практическая конференция «Цифровое материаловедение-2024». Мероприятие прошло в Центре превосходства «Цифровое материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

В рамках конференции состоялось обсуждение современных достижений в различных областях математического и компьютерного моделирования, применения методов машинного обучения к разработке новых полимерных и композиционных материалов.

Участниками конференции стали представители передовых российских предприятий и ведущих образовательных и научных учреждений.

Открывая научно-практическую конференцию руководитель проектов Центра превосходства «Цифровое материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана Леван Татунашвили рассказал, что в настоящее время в стране существует огромное количество разрозненных решений в области цифрового материаловедения, которые охватывают различные типы материалов, масштабы описания и подходы к моделированию. Одним из агрегаторов отрасли предложена платформа для ускоренной разработки материалов разными методами, разрабатываемая учеными Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана с партнерами.

• «На данный момент уже частично реализован базовый функционал платформы – это возможность использования моделей машинного обучения для предсказания свойств как полимерных, так и композиционных материалов. В части физического моделирования реализован конструктор материалов на молекулярном уровне с возможностью визуализировать полученный результат, а также разработаны алгоритмы расчета ряда свойств – на данный момент это плотность, температура стеклования полимера и модуль Юнга»,
  – продолжил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Александр Павлов.

С пленарным докладом

• «Применение технологии цифровых двойников и термопластичных композиционных материалов в высокотехнологичной промышленности»

выступил проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Алексей Боровков.

Алексей Иванович начал свое выступление с представления Экосистемы технологического развития СПбПУ, которая представлена пятью структурами:

• Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» – фронтирные инженерные задачи, выполнение НИОКР, подготовка «инженерного спецназа»: магистратура и ДПО, новые научно-технологические и образовательные пространства;
• Научный центр мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии» – проблемно-ориентированные фундаментальные исследования;
• Центр компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» – выполнение НИОКР, разработка и коммерциализация технологий, развитие ДПО;
• Инфраструктурный центр НТИ «Технет» – экспертно-аналитические доклады, нормативное регулирование, деятельность по разработке национальных стандартов;
• Центр трансфера и импортозамещения передовых цифровых и производственных технологий СПбПУ– трансфер технологий, коммерциализация разработок.

Спикер подробно остановился на теме применения технологии цифровых двойников в высокотехнологичных отраслях промышленности. Это стало возможным благодаря уникальным разработкам сотрудников СПбПУ:

• Национальный стандарт Российской Федерации – ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения», утвержденный 16 сентября 2021 года приказом № 979-ст руководителем Росстандарта  А.П. Шалаева. В стандарте впервые установлены определения: «цифровой двойник изделия», «цифровая модель изделия», «цифровые (виртуальные) испытания», «цифровой (виртуальный) испытательный стенд» и «цифровой (виртуальный) испытательный полигон. 24 ноября 2023 года включен в перечень взаимно признаваемых стандартов в сфере авиастроения между Китайской Народной Республикой и Российской Федерацией;
• Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® [1, 2]

Алексей Боровков пояснил:

• «На Цифровой платформе CML-Bench^® на протяжении многих лет инженеры ежедневно выполняют около 100 цифровых испытаний, для чего "в среднем" ежечасно работают
  – 2 400 ядро-часов высокопроизводительных вычислительных систем Суперкомпьютерного центра "Политехнический" и
  – 3 000 ядро-часов Инжинирингового центра CompMechLab^® СПбПУ;
• Подразделения Экосистемы технологического развития СПбПУ на цифровой платформе выполняют около 125 НИОКР ежегодно (30-40 НИОКР одновременно), благодаря одновременной совместной высокопродуктивной работе 300 инженеров;
• В настоящий момент (по состоянию на 31 октября 2024 года) на Цифровой платформе представлены 332 тысячи цифровых и проектных решений. Развитая архитектура платформы включает 170 программных систем и программных модулей CAx десятков вендоров, как отечественных, так и зарубежных, что позволяет осуществлять мультидисциплинарное компьютерное моделирование и высокопроизводительные цифровые испытания для решения широкого спектра задач в интересах высокотехнологичной промышленности России».

В продолжение лекции спикер изложил концепцию создания изделий в контексте триады «Материалы & Технологии & Конструкция».

• «Прежде всего перед нами стоит национальная задача достижения технологического лидерства - это превосходство технологий и (или) продукции по основным параметрам (функциональным, техническим, стоимостным) над зарубежными аналогами.
  В это определение можно добавить «материалы», так как именно из материалов (металлических, неметаллических, композиционных, полимерных, керамических и др.) состоят все изделия (машины, конструкции, установки и т.д.).
• Для разработки высокотехнологичных изделий мы предлагаем подход, в рамках которого проектирование конструкций из композиционных материалов (композитных структур) ведется с помощью передовой технологии цифровых двойников на разных уровнях описания композиционных материалов и композитных структур – на микро-, мезо- и макро- уровнях (MultiScale Analysis) с учетом всех специфических особенностей физико-механических свойств материалов, физико-механических процессов, технологических и производственных процессов, наконец, эксплуатационных режимов, что позволяет сформировать цифровые двойники композиционных материалов и композитных структур.
• В процессе проектирования осуществляется рациональная оптимизация всех элементов фундаментальной триады «Материалы & Технологии & Конструкция» для достижения высоких технических и функциональных характеристик путем балансировки элементов в многоуровневой матрице требований, целевых показателей и ресурсных ограничений.
  Важно понимать, что мы стремимся достичь мирового уровня именно для Изделия, поэтому наша задача состоит, в первую очередь, в проектировании глобально конкурентоспособного Изделия – Конструкции, выбирая рациональным образом наилучшие доступные Материалы и Технологии, учитывая стоимостные ограничения»,
  – пояснил Алексей Боровков.

Кроме этого, для достижения цели технологического лидерства нами предложен и на многих изделиях отработан новый подход – «двойной прыжок лягушки» (Double Leap-Frogging),
где первый «прыжок» – это импортозамещение деталей, комплектующих, машин и выход на мировой уровень проектирования и производства изделий, которые по своим техническим характеристикам не уступают продукции ведущих мировых компаний.
Второй «прыжок» – это производство конкурентоспособных изделий из отечественных материалов, спроектированных российскими инженерами и изготовленных на российских предприятиях – фактически, достижение технологического суверенитета. Затем, применяя передовые цифровые технологии  разработки цифровых двойников и цифровой сертификации на цифровой платформе CML-Bench^® мы можем на системной фундаментальной основе решать национальную задачу технологического лидерства.

Далее Алексей Иванович остановился на основных достижениях Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» в направлении термопластичных композиционных материалов.

В первую очередь – это разработка опытно-промышленной технологии изготовления филаментов (расходный материал в виде нити, используемый для 3D-печати) из непрерывного углеродного волокна на основе термопластичной матрицы. Углеродное волокно обладает высокой прочностью и жесткостью и при этом является очень легким материалом. Это позволяет использовать его для создания прочных и легких деталей, которые могут выдерживать большие нагрузки – это применимо в ракетно-космической и авиационной отрасли, а также в двигателестроении.

В 2023 году сотрудниками Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» была разработана и поставлена лабораторная установка, которая на данный момент эксплуатируется на площадке АО «Препрег-СКМ» композитного дивизиона «ЮМАТЕКС» госкорпорации «Росатом» и активно используется для наработки опытных партий материалов. В декабре 2024 года сотрудниками Передовой инженерной школы СПбПУ будет запущена сверхпроизводительная опытно-промышленная установка, производящая одновременно 40 филаментов со скоростью 5 м/мин – 12 км / час = 288 км / сутки.

• «Наше новейшее инновационное и технологическое решение – уникальный беспилотный летательный аппарат «Снегирь-1.5» – изготовлен из прочных и легких материалов, включая композиционные материалы, с применением передовых цифровых и производственных технологий.
• В процессе проектирования БПЛА «Снегирь-1.5» была создана и прошла апробацию передовая технология оверпринтинга, которая подразумевает изготовление сложных конструкций сочетанием методов прессования / штамповки и выкладки термопластичных композиционных материалов (ТПКМ) с аддитивным производством методом FDM / FGF из наполненных дискретными волокнами полимеров, а также технология индукционной сварки ТПКМ, которая позволяет сваривать углепластики с матрицами из любых термопластичных полимеров с общей толщиной шва до 7,5 мм и получением прочности шва в 2 раза больше, чем при применении специализированных клеев»,
  – добавил Алексей Боровков.

Продолжая конференцию профессор РАН Артем Оганов выступил с докладом на тему

• «Предсказание и объяснение новых химических явлений»,

рассказав об уникальном методе USPEX для предсказания кристаллических структур материалов по их химическому составу.

Лев Донковцев, руководитель проектного офиса «Цифровая платформа «Технологии, материалы и конструкции» Госкорпорации «Росатом» (АО «Атомэнергопром»), отметил, что разработанная в ГК «Росатом» платформа обеспечивает поддержку жизненного цикла данных о материалах, технологиях и конструкциях:

• «В платформе данные о материалах, технологиях и конструкциях классифицированы и структурированы. Это поможет технологическим компаниям в разных отраслях промышленности находить импортозамещающие аналоги материалов, осуществлять трансфер технологий, экономить время на подборе поставщиков».

По итогам конференции участники решили, что необходима системная работа над определением экосистемы всех имеющихся в стране цифровых решений в области материаловедения, предполагающая объединение баз данных и создание условий для свободного доступа инженеров и исследователей к сформированной экосистеме.

Полная запись трансляции научно-практической конференции «Цифровое материаловедение-2024» доступна по ссылке 30 октября и 31 октября.