«Центр НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана создан 28 декабря 2020 года по результатам конкурсного отбора на предоставление грантов на государственную поддержку центров Национальной технологической инициативы на базе образовательных организаций высшего образования и научных организаций в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации № 1251 от 16.10.2017 г. Оператором программы является Фонд поддержки проектов Национальной технологической инициативы.
Центр занимается реализацией цифрового подхода к «быстрому» и «сквозному» проектированию, разработке, испытанию и применению новых материалов и веществ. Центр НТИ формирует национальный банк данных и знаний по материалам и их «цифровым двойникам», обеспечивающий получение «цифровых паспортов» и ускоренную сертификацию новых материалов.
В Программе Центра НТИ заявлено преодоление 14 технологических барьеров, из них 6 были преодолены в 2021 году частично.
В 2021 году был достигнут значительный прогресс в преодолении технологического барьера по проекту «Разработка оборудования и технологии создания объемных преформ методом укладки ровинга, алгоритмов оптимального проектирования и аддитивных технологий изготовления методами трехмерной печати изделий из углеволокнистых композитов с рациональными криволинейными траекториями укладки волокон» (№ 2.8 Программы). Был достигнут существенный успех в части разработки технологии создания объемных преформ методом укладки ровинга с помощью автоматизированного комплекса. Решена технологическая задача по методу нашивки углеродном волокном без вспомогательной нити. Полученные результаты будут применяться при реализации проекта в дальнейшем.
В 2021 году был также достигнут значительный прогресс в преодолении технологического барьера «увеличение скорости разработки материалов и изделий, и оперативного изменения их свойств» (№ 2.7 Программы) в рамках проекта «Разработка системы цифрового управления технологического процесса производства арматуры». Так, для преодоления вышеуказанного технологического барьера была спроектирована система контроля технологических параметров производства композитной арматуры с использованием программируемых логических контроллеров, современных частотно-регулируемых приводов с обратной связью, бесконтактных датчиков и других современных комплектующих и разработано программное обеспечение системы. Полученные результаты позволяют стабилизировать заданные режимы технологического процесса путем измерения значений технологических параметров и свойств (связующего, наполнителя и конечной продукции - арматуры), их обработки, визуального представления, а также осуществлять контроль, мониторинг и диагностику параметров технологических процесса, исключить простои и сбои в функционировании технологической пултрузионной линии, тем самым повысив эффективность и скорость производства композитной арматуры.
Таким образом к концу 2021 года преодолено и частично преодолено 6 технологических барьеров из 14 заявленных в Программе. Работа над завершением преодоления технологических барьеров будет продолжена Центром НТИ в рамках реализации Программы.
Основная задача Центра НТИ это разработка «Киберполигона цифрового материаловедения» - программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего хранение данных о материалах и технологиях их переработки, компьютерное моделирование материалов и их испытаний, а также системы прогнозирования свойств новых материалов. В 2021 году достигнуты следующие основные результаты по созданию Киберполигона (проекты № 1, 2, 5, 9, 12, 13).
В рамках проекта № 1 «Создание цифровой системы управления качеством и экономическими показателями при производстве ответственных изделий, в том числе энергетического и атомного машиностроения» проведено исследование инфраструктуры и производственного ландшафта предприятий потенциальных заказчиков, показавшее наиболее значимые входные параметры системы, оказывающие наибольшее влияние на конечный результат работы. Разработаны модуль ввода, модуль анализа введенных данных, модуль расчета тепловой задачи, модуль расчета структуры металла шва и ОШЗ, модуль расчета механических свойств, модуль расчёта перераспределения диффузионного водорода, модуль прогнозирования стойкости против образования холодных трещин, которые составляют значимую часть всей разработки и помогают решать широкий круг задач при контроле качества сварки.
В рамках проекта № 2 «Разработка базы данных свойств материалов, полученных по технологии селективного лазерного плавления» - разработана структура и создана база данных свойств материалов, полученных по технологии селективного лазерного плавления, в которой содержатся основные сведения о свойствах такого рода материалов, которые обязательно нужно учитывать при разработке и проектировании изделий, получаемых подобными методами. Разработана технологическая документация для экспериментальных образцов методом селективного лазерного плавления, на основании которой будут изготовлены образцы с целью проведения дальнейших испытаний и получения дополнительных свойств;
В рамках проекта № 5 «Разработка системы неразрушающего контроля качества изделий, выполненных с использованием аддитивных технологий» – разработаны технические требования к изделию и его составным частям, на основании которых будет спроектирован автономный сканер-дефектоскоп материалов и изделий, помогающий идентифицировать дефекты изделий и образцов методом неразрушающего контроля. Преимущество заключается в том, что применены научные основы, позволяющие практически полностью устранить «мертвую зону» исследуемой области анизотропных материалов, наличие которой при применении традиционных методов неразрушающего контроля не позволяет в полной мере оценить наличие или отсутствие дефектов в объеме материала.
А также:
В рамках проекта № 9 «Разработка цифровой модели течения связующего при формовании изделий из ПКМ методами пропитки» Разработана универсальная воспроизводимая методика определения проницаемости армирующих компонентов ПКМ. Также спроектировано и изготовлено уникальное испытательное оборудование для её применения, обеспечивающее точные измерения скорости течения связующего через армирующий материал в заданных условиях формования изделий из ПКМ методами пропитки. Результаты проводимых экспериментов для армирующих компонентов будут использоваться при дальнейшем моделировании процесса пропитки изделий из композиционных материалов.
В рамках проекта № 12 «Разработка системы прочностных расчетов анизотропных материалов» разработан программный модуль «цифровой двойник» материалов, программного комплекса системы прочностных расчетов анизотропных материалов, созданный на основании программной системы «APM Studio», который в будущем будет входить в контур проекта «Цифровой полигон» и решать задачи прочности материалов.
Проведены также испытания опытных образцов изделий из ПКМ с различной схемой укладки в целях экспериментальной наработки основных физико-механических характеристик ПКМ. Испытаниям подверглось более 1700 образцов. Данные испытаний будут необходимы для верификации работы системы прочностных расчетов анизотропных материалов, в дальнейших этапах работы.
В рамках проекта № 13 «Разработка системы автоматизированного принятия решений по оптимальному выбору композиционных материалов под заданные условия» разработана структура и создана база данных свойств, полученных при помощи базовых технологий изготовления полимерных композиционных материалов. Она позволит консолидировать информацию о большинстве необходимых свойств компонентов, доступных на отечественном рынке. Был осуществлен поиск по открытым источникам с целью внесения записей в базу данных, начато заполнение базы данных сведениями о материалах и их компонентах. Вместе с тем проанализирована информация, содержащаяся в базе данных, на основе этого анализа разработан алгоритм машинного обучения для решения прямой и обратной задач создания полимерных композиционных материалов. Алгоритм позволяет спрогнозировать свойства композита на основе имеющихся данных о свойствах его компонентов без изготовления образцов и проведения их испытаний. Это в значительной мере позволяет сэкономить временные и финансовые затраты при проектировании изделий и разработке новых материалов.
Консорциум Центра создан как сбалансированное сообщество, объединяющие как научные и научно-образовательные организации, так и предприятия, входящие в государственные корпорации, промышленные и инновационные предприятия малого и среднего бизнеса. Указанная комбинация позволяет создать эффективную и быструю цепочку от разработки новых решений в материаловедении до их практического внедрения с применением цифровых технологий.
Организационная структура консорциума будет привязана непосредственно к структуре управления Центра в части операционного управления, которое осуществляет директор Центра. Каждый из участников получит преимущества от участия в работе консорциума, а именно:
