Наука будущего: в МГТУ им. Г. И. Носова работает региональная молодежная лаборатория инжиниринга

Директор лаборатории Дмитрий Константинов рассказал о своём пути в науке и о деятельности лаборатории.

При поддержке правительства и министерства образования и науки Челябинской области в МГТУ им. Г. И. Носова работает региональная молодежная «Лаборатория инжиниринга передовых технологий метизного производства».

Директор лаборатории Дмитрий Константинов – кандидат технических наук, научными исследованиями занимается с 2009 года, еще со студенчества. Поступление в аспирантуру в 2012 году стало началом серьезного увлечения инженерной наукой в области обработки металлов давлением.

– Наша кафедра машиностроительных и металлургических технологий, которой на тот момент руководил Михаил Витальевич Чукин, была «плодородной почвой» для научных исследований в целом и особенно в плане привлечения молодежи в исследовательские проекты. При этом нас готовили качественно и универсально: после пяти лет обучения ты был готов как к работе на производстве, так и к продолжению обучения уже в качестве молодого ученого. И я пошел в аспирантуру к научному руководителю Алексею Георгиевичу Корчунову, который вскоре стал проректором по международной деятельности и помимо вовлечения в науку пригласил меня в международный отдел МГТУ. Там я параллельно 10 лет работал на разных должностях, вплоть до руководителя подразделения. А поскольку Алексей Георгиевич одновременно и мой начальник, и научный руководитель, то и воспитывался я исключительно с ориентиром на международное академическое пространство, – рассказал Дмитрий Вячеславович.

В 2014 году Дмитрий Константинов выиграл президентскую стипендию для обучения за рубежом. Это позволило углубить понимание роли специалиста в современной металлургии и инжиниринге материалов.

Кросс-дисциплинарный инжиниринг

–Что касается инжиниринга, наша работа строится по двум направлениям: оптимизация действующих технологий, которые начинают выбиваться из нормативов, и разработка новых технологических схем для получения принципиально новых продуктов. Например, делали на производстве болт из одного материала, а хотят производить такой же болт, но только из другого материала, – объясняет Дмитрий. – Внешне изделие может не измениться, но с позиции технологической это уже полностью новый процесс, требующий выбора иного инструмента, нового порядка операций и других параметров технологии, которые в итоге дадут продукт, соответствующий требованиям заказчика.

Коллектив «Лаборатории инжиниринга передовых технологий метизного производства» работает в основном с ОАО «ММК-МЕТИЗ». У инжиниринга в метизной отрасли есть две особенности – огромная номенклатура изделий и специфика построения технологий производства. Дмитрий Вячеславович пояснил:

– Метизное производство – это последняя стадия металлургического цикла, где производится изделие с самой большой добавочной стоимостью. При этом технология является многостадийной, а каждая стадия еще и многооперационной. Вместе со стоимостью возрастают и риски по потенциальному браку или несоответствию конечных свойств, поэтому иногда работа по отлаживанию технологии производства одного вида изделий требует очень тонкой отладки. По этой причине наш коллектив 12 лет «обкатывает» на проектах различного масштаба концепцию так называемого кросс-дисциплинарного инжиниринга материалов или, другими словами, «цифрового материаловедения».

Как в любой инженерной отрасли, у нас существуют два пограничных лагеря: теоретики и практики. На одни и те же проблемы и явления они смотрят по-разному. За всю историю нашего исследовательского коллектива мы всегда были посередине, посредством методов на пересечении нескольких отраслей знания делали теоретические изыскания консервативных материаловедов полезными для производственных нужд производственников.

Один из наглядных примеров внедрения цифровой компоненты – поиск брака на производстве: огромных размеров стальные стержни после калибрования не сохраняли прямолинейность. Исследователям нужно было выяснить, в чем причина.

– Казалось бы, с учетом опыта производственных коллег проблема должна была быть устранена просто и быстро. Но в данном случае предприятие уже произвело свою экспертизу всеми имеющимися средствами, которые не дали результатов. Мы, вооружившись мобильными 3D-сканерами, отправились на производство, за пару часов провели экспертизу всего нового и всего изношенного инструмента. Когда у вас появляется «разложенным на столе» огромный массив данных, круг потенциальных причин сужается. В итоге более производительный и точный цифровой инструмент позволил увидеть то, что заметить даже очень опытному сотруднику было нелегко. Нашли причину. Мы получили исследовательский опыт работы на предприятии, а производственники устранили брак – все от этой ситуации выиграли.

Вообще замечательно, когда мощные предприятия-гиганты, такие как наши ММК и ММК-МЕТИЗ, открыты к работе с исследователями на производственных площадках. Руководство ОАО «ММК-МЕТИЗ» всегда идет нам навстречу, мы всегда там желанные гости. Мало кто такой роскошью в исследовательской отрасли может похвастаться. И задачи нам всегда ставят очень интересные. В силу огромного опыта инженерного персонала ММК-МЕТИЗ определить причины той или иной проблемы в производственной цепи могут и без нас. К нам чаще обращаются, когда проблема оказывается вне поля зрения стандартизированных методов, когда типовые подходы не помогли. Поэтому каждый такой проект – это интересная работа для всех участников.

Цифровой двойник

Дмитрий пояснил, что лаборатория может делать с информацией, которую получает на производстве:

– Когда мы «перевели в цифру» информацию о геометрии заготовки и инструмента, условиях эксплуатации или обработки, микроструктуре, становится возможным создать цифровой двойник не просто технологии, а всего материала с учетом его микромеханических особенностей. То есть это объемная компьютерная модель, над которой можно экспериментировать: «А если я операции вот так выставлю, а если я поменяю какой-то параметр и прочее».

По словам Дмитрия Константинова, цифровой двойник представляет собой «матрешку» из всей информации, которую удалось собрать о материале.

– Посредством цифрового двойника мы можем поставит уникальный эксперимент: только по исходным данным рассказать не только про итог процесса, но и посмотреть, что происходит во время его протекания. Допустим, в волочильном цехе производится огромный тоннаж проволоки, а лопнуть она может из-за маленького неметаллического включения на уровне микроструктуры размером 20 микрон, – продолжил Дмитрий. – Мы фотографируем эту микроструктуру, делаем ее 3D-модель, искусственно в нее запускаем потенциально опасный дефект и смотрим, как технология поведет себя. Можем поменять параметры микроструктуры или инструмента и с точностью сказать: «Разрушение не наступит, если взять чуть-чуть другую заготовку» или «Нужно поменять вот это параметр, потому что там напряженно-деформированное состояние поменяется на микроуровне».

Цифровой двойник помогает там, где реальные испытания невозможны или очень дорогостоящи. Теперь это можно сделать буквально по цене затрат на электричество для цифрового оборудования.

Например, в декабре прошлого года у исследователей магнитогорской лаборатории закончился международный проект, в ходе которого они внедряли новый вид метизов в аэрокосмическую отрасль. В МГТУ выплавили небольшой кусочек металла, собрали все сведения о его структурных свойствах, создали цифровой двойник. Из двойника сделали виртуальный болт из этого материала, установили его в виртуальный пропеллер вертолета и раскрутили до внештатной ситуации, когда винтокрылая машина в реальности наверняка падала бы.

– Можете представить, сколько бы этот эксперимент стоил в реальной жизни, или кому можно было бы позвонить и сказать: «Разрешите вертолет уронить, чтобы просто проверить идею?» А в компьютерной модели все это по цене электричества. Мы идею проверили и верифицировали. И вертолеты целы, и мы в высокой степени готовности можем передать информацию специалистам из аэрокосмической отрасли, чтобы они продолжали работать дальше с этой идеей, – заметил Дмитрий Вячеславович.

Искусственный интеллект в помощь

В своей работе ученые лаборатории применяют другие цифровые методы, один из них – искусственный интеллект (ИИ). Нейросети помогают анализировать микроструктуру материала: исследователь с помощью микроскопа делает фото тысяч зерен. На практике замерять все эти зерна несколько материаловедов будут не одну неделю. Тогда как для нейросети фото такой микроструктуры выглядит просто как изображение с черно-белыми частичками-пикселями, причем ИИ может собрать огромный массив данных, да и еще увидеть в нем закономерности.

Ученых из лаборатории вспоминают случай, когда нейросеть на огромном фото микроструктуры обратила внимание на ряд особенностей, которые до этого даже опытный сотрудник не увидел.

– Плюс цифровые методы позволяют агрегировать весь опыт, который проходит через лабораторию. То есть вы, проводя исследования, своими материалами «кормите» алгоритмы обучения. Люди за микроскопом могут меняться, могут поступать разные задачи относительно одних и тех же материалов. Но благодаря подобной «цифровой рефлексии» всего потока образцов у вас всегда есть некий цифровой лаборант, видевший все микроструктуры, которые через вашу лабораторию проходили. И он может с учетом своего «опыта» проводить ряд измерений самостоятельно, быстро и точно. Это все нам кажется вполне обыденным в повседневной жизни, а для отрасли материаловедения – в новинку, – подчеркнул Дмитрий Вячеславович.

Создание своего уголка

До того, как выиграть грант на организацию лабораторий, коллектив работал в кооперации либо с другими подразделениями вуза, либо с вузами-партнерами Челябинска, Екатеринбурга, Уфы. Часть исследований делали самостоятельно, за частью обращались в другие подразделения и уже на основании полученных сведений собирали единую картину проекта и потом передавали на производство в виде технологических рекомендаций.

В декабре 2024 года министерство образования и науки Челябинской области подвело итоги отбора на предоставление грантов на создание региональных молодежных лабораторий. По результатам отбора в этом году будет создано 5 региональных молодежных лабораторий на базе ведущих университетов Челябинской области. Одна из них – «Лаборатория инжиниринга передовых технологий метизного производства» Магнитогорского государственного технического университета имени Г.И. Носова.

Об условиях получения гранта поведал Дмитрий Константинов:

– Одна из особенностей лаборатории в преамбуле «молодежная». Основное требование со стороны грантодателя, чтобы двум третям исследователей было от 18 до 39 лет. Здесь и студенты, и аспиранты, и молодые кандидаты, и доктора наук… И, конечно, чтобы руководитель тоже был в этом возрастном диапазоне. Я бы сказал, что программа поддержки направлена на воспитание молодого поколения «исследователей-административщиков», которые могут не просто за микроскопом работать, но и эффективно организовать работу вокруг этого микроскопа. Все лаборатории, которые выиграли грант, направлены на то, чтобы молодежь не просто задержалась в науке, но и набиралась организаторских компетенций по приобретению оборудования, по организации труда, по работе с индустриальными партнерами.

Коллектив лаборатории

В будущей лаборатории ждут всех: рады людям с производства, молодым и опытным исследователям. Сейчас в составе лаборатории семь человек, от докторов наук до юных аспирантов. Коллектив небольшой, но компетенции и профессиональные навыки каждого уникальны и дополняют общее дело.

– Нашей задачей была убедить комиссию, что у нас есть достаточный научный опыт в нашей отрасли, что лаборатория важна для региона и страны, а с новыми средствами академического труда мы сможет сделать еще больше. Действительно, данная грантовая программа интересна, потому что у нас по большому счету нет ограничений: регион позволяет организовать лабораторию от выбора розеток до покупки технологичного оборудования так, как мы считаем нужным. Единственный важный критерий дальнейшего отчета будет в том, чтобы показывать софинансирование. То есть ближайшие три года мы будем показывать, как работаем с промышленным партнером ММК-МЕТИЗ. А также – помогаем ли мы предприятиям Челябинской области, какие виды продукции нами разработаны, как дела с публикациями и патентами. Поэтому еще одна задача – чтобы методы, применяемые в лаборатории, были универсальны и интегрированы в исследовательскую структуру вуза и будущего межуниверситетского кампуса. Мы должны эффективно дополнить вузовскую инфраструктуру и быть полезны предприятию. Со своей стороны мы приложим все усилия, чтобы оправдать доверие и со стороны региона, и со стороны промышленного партнера, – заключил Дмитрий Вячеславович.

Первая публичная презентация лаборатории состоится в Дни науки Челябинской области в октябре этого года.

Ангелина ЗОТОВА
Фото  Динара ВОРОНЦОВА