Передовая инженерная школа «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии»

При поддержке ключевого партнера Госкорпорации «Росатом» в лице АО «Наука и инновации», а также компаний «Металлоинвест», ОМК, ЦАГИ — НИТУ МИСИС стал победителем федерального проекта по созданию передовых инженерных школ (ПИШ). В НИТУ МИСИС создана школа «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» (МАСТ), которая нацелена на подготовку кадрового потенциала и реализацию проектов в рамках стратегических направлений научно-технологического развития Российской Федерации, в первую очередь, в части новых технологий и материалов для перспективных ядерных энергетических установок типа БН, ВВЭР, ВВЭР-СКД, ВТГР, ЖСР, АСММ и пр. Выпускники передовой инженерной школы будут иметь теоретический и практический опыт для решения задач управления ресурсом жизненного цикла изделий ответственного машиностроения, а также навыки в областях создания новых композиционных материалов и разработки промышленных технологий производства изделий из них. Еще одним направлением передовой инженерной школы будет развитие регенеративной медицины, а именно разработка перспективных технологий трехмерной био-печати, в том числе не имеющих аналогов в мире, и, непосредственно, проектирование биопринтеров нового поколения. Ожидается, что разработка таких биопринтеров будет вестись с последующей государственной регистрацией для использования в клинических условиях к 2030 году.

Таким образом, ПИШ МАСТ сконцентрирована на нескольких прорывных научно-образовательных направлениях, основой для которых служат цифровые технологии, в первую очередь — аддитивные. Говоря про аддитивные технологии, следует отметить фактор, существенно тормозящий их развитие и внедрение в реальное производство. Он заключается в том, что всё в нашем мире заточено под использование традиционных технологий или, как говорят, проводя аналогию с развитием электроники, аналоговых технологий. Следствием этого является не просто дефицит кадров, а практически полное отсутствие научно-педагогических школ, способных системно сформировать образовательную повестку по этому направлению. Развитие аддитивных технологий невозможно без новых, специально предназначенных для них материалов, оборудования, нормативной документации. Именно на решение этих ограничительных барьеров и нацелена ПИШ МАСТ.

Взаимодействие НИТУ МИСИС с Госкорпорацией «Росатом» и другими индустриальными партнерами имеет многолетнюю историю, начиная с «Атомного проекта», который вел к успеху первый ректор Московского института стали Авраамий Павлович Завенягин вместе с Ефимом Павловичем Славским и Василием Семеновичем Емельяновым. Кроме тесных взаимоотношений с высокотехнологичными компаниями, университет является признанным лидером в области металлургии, материаловедения и технологий, занимая первое место среди российских вузов в рейтингах QS Materials Science и RАЕХ «Технологии материалов». НИТУ МИСИС имеет большой опыт подготовки лидеров Т-типа в области материаловедения и новых технологий, когда студенты вовлечены в решение задач предприятий, с которыми они готовы связать судьбу. Наличие достаточной собственной экспериментальной базы, высококвалифицированного преподавательского состава, внедрение передовых методик образования — все это позволит НИТУ МИСИС достичь цели Передовой инженерной школы МАСТ — подготовить кадры с новым мировоззрением, обладающие компетенциями как в области цифровых и аддитивных технологий, так и способные управлять комплексными проектами и решать задачи по обеспечению совершенно конкретных проектов атомной, авиакосмической и металлургической отраслей.

Да, НИТУ МИСИС обладает достаточной материальной базой и уровнем компетенций, но для эффективного решения задачи подготовки кадров мы перешли к образованию по модели ПОИНТ (Практико-ориентированное образование, интегрирующее науку и технологии). В основе модели ПОИНТ — создание образовательной фабрики полного цикла, где студенты пройдут путь от идеи продукта до его мелкосерийного производства, т.е. полный производственный цикл, включая инженерные и материаловедческие расчеты, подготовку, синтез шихтовых материалов и распыление металлопорошковой композиции, дальнейшего аддитивного изготовления изделия, его постобработку, а также разрушающий и неразрушающий контроль. У НИТУ МИСИС уже имеется практический задел модели ПОИНТ. Например, на кафедре порошковой металлургии и функциональных покрытий успешно применяется подход индивидуальных траекторий об-учения магистрантов, при котором с первых дней об-учения каждому студенту в рамках текущего проекта, гранта и договора с предприятием формулируется тема и план НИР на каждый семестр. При этом совместно со студентом определяются дисциплины по выбору в соответствии с проблематикой его магистерской работы. Это позволяет сосредоточиться на выполнении научной работы, получить знания по конкретным дисциплинам, а также устроиться на работу в качестве исполнителя конкретной темы, получая достойное вознаграждение.

Аддитивные технологии, развиваемые в ПИШ МАСТ, рассматриваются как неотъемлемая часть развиваемых в школе направлений. Например, говоря про литейные технологии, подразумевается использование аддитивного оборудования при производстве моделей для выплавления и выжигания, а также 3D-печать уже готовых литейных форм и стержней. Аналогично по направлению биофабрикации 3D-синтез являются частью сложного процесса, результатом которого станет возможность регенеративной медицины, позволяющей восстанавливать живые ткани непосредственно на человеке. Таким образом, ПИШ МАСТ не держит себя в рамках того или иного вида аддитивного процесса.

Одним из основных приоритетов ПИШ МАСТ в части образования является кооперация с центрами аддитивных технологий и компаниями-лидерами отрасли, и она будет только расширяться. Студенты, обучающиеся в ПИШ МАСТ, интегрированы в профессиональное сообщество с первого курса благодаря программе наставничества с экспертами из отрасли. Для привлечения индустриальных лидеров к преподаванию МАСТ предлагаются гибкие профессиональные треки с индивидуализированной системой мотивации и конкурентоспособным уровнем заработной платы.

Уже в 2022 году 12 студентов ПИШ МАСТ успешно прошли стажировку на базе АО «ЦАТ» — в центре аддитивных технологий государственной корпорации «Ростех». В ПИШ МАСТ предусмотрено повышение квалификации профессорско-преподавательского со-става на предприятиях, являющихся технологическими лидерами. Так, тридцать сотрудников НИТУ МИСИС успешно прошли обучение по программе «Возможности аддитивных технологий в отечественном машиностроении» на предприятии АО «НПО «ЦНИИТМАШ» (входит в машиностроительный дивизион Госкорпорации «Росатом» — АО «Атомэнергомаш»), которое является одним из лидеров по направлению аддитивных технологий в России.

Основные научные результаты достигнуты при реализации НИОКР «Управление качеством и свойствами металлических материалов, полученных путем прямого селективного воздействия на кристаллическую структуру первичных фаз при затвердевании», входящую в комплексную научную программу Госкорпорации «Росатом». Были получены уникальные фундаментальные данные о протекании фазового перехода первого рода при затвердевании расплавов, подтверждающие кластерный механизм роста твердой фазы, и на этой основе разработана технология управления характеристиками первичной кристаллической структуры и повышения структурно-чувствительных свойств материала, синтезируемого в аддитивном процессе. Также были разработаны новые подходы для аттестации и оценки соответствия аддитивной продукции, построенные на основе концепции о единой облачной платформе сбора и обработки данных об аддитивном процессе при производстве изделий ответственного, в том числе атомного машиностроения. Единая облачная платформа — это инструмент, обеспечивающий высокое качество син-тезируемой продукции за счет полуавтоматического создания цифрового двойника аддитивного процесса производства изделий, наличия предиктивной аналитики и обратной связи для корректировки печати, что обеспечит «печать» изделий с первого раза, существенно повысив экономические показатели аддитивного производства.

В 2022 году разработаны и внедрены две специализированные программы дополнительного профессионального образования по направлению «Аддитивные технологии в металлургии и машиностроении» с при-влечением специалистов Госкорпорации «Росатом» в качестве преподавателей. Первая программа «Совершенствование профессиональных компетенций в соответствии с профессиональными стандартами: 3D-технологии в металлургии и машиностроении и изготовление прототипов», вторая — «3D-технологии в металлургии и машиностроении». По данным программам успешно прошли обучение 17 сотрудников предприятий металлургического сектора. В 2022 году также запущены три актуальные магистерские программы по направлениям передовой инженерной школы, включающие в себя изучение аддитивных технологий, по которым проводится подготовка 40 магистров. Это: «Цифровое управление технологическими процессами металлургии и машиностроения»; «Технологическое обеспечение инноваций»; «Новые материалы и цифровые технологии литья металлов». В 2023 году планируется запустить четыре новые программы магистратуры: «Современные материалы и методы получения высокоточных отливок»; «Новые материалы. Порошковые и аддитивные технологии»; «Облачные технологии в металлургии и машиностроении»; «Биомедицинская инженерия и биофабрикация».

Говоря о планах, хочется отметить, что в рамках ПИШ МАСТ создаются новые учебные пространства. Уже укомплектована «Виртуальная лаборатория», в рамках которой закуплено отечественное программное обеспечение, позволяющее закрыть моделирование всего цикла машиностроительного и металлургического производства. Создается лаборатория для изучения аддитивного процесса, основой которого станут отечественные СЛП-принтеры и уникальная установка по исследованию сплавления металлических порошков, построенная на основе системы сканирования лазерного луча с двумя коллиматорами, оснащенная высокотемпературным подогревом, системами контроля качества формирования порошкового слоя, температуры всей рабочей зоны и жидкой ванны, а также контроля геометрии синтезируемого изделия. Сердцем этой установки станет программно-аппаратная часть, реализующая инструмент прескриптивной аналитики, открывающей возможность по созданию основы АСУ нового поколения. В 2023 году появится участок порошковой металлургии, включающий лабораторные установки ГИП и атомизации металлических порошков. Все это позволит реализовать «фабрику для обучения» полного цикла аддитивного производства. Важно не забыть о направлении, связанном с разработкой нормативной документации. Планируется организация лаборатории по цифровой трансформации стандартизации передовых производственных технологий, которая должна стать локомотивом внедрения стандартов четвертого поколения (SMART-стандарты) по направлению «аддитивные и цифровые технологии». Кроме этого, планируется организация лаборатории точного литья на базе комплексно-механизированных участков литья под давлением и по выплавляемым моделям с широким использованием 3Э-технологий по всему производственному циклу изготовления литых деталей из сплавов цветных и чёрных металлов для применения в различных отраслях промышленности: авиационной, космической, атомной, автомобильной и многих других.

Самой основной задачей, которая сегодня стоит перед ПИШ МАСТ, является привлечение талантливой молодежи. Разработаны программы, в рамках которых студенты параллельно с обучением сразу начинают работать на предприятиях-партнерах, решая реальные задачи. Студенты ПИШ МАСТ получают повышенную стипендию и всем, в случае необходимости предоставляется общежитие. Понимая, что базовый уровень у поступающих разный, предусмотрены бесплатные курсы по разделам математики, физики, материаловедения и других профильных дисциплин, которые позволят исключить неуспеваемость при обучении в магистратуре.

Основными факторами, ограничивающими внедрение аддитивных технологий, являются следующие: во-первых, инерционность, то есть использование традиционных подходов и материалов; во-вторых, отсутствие кадров и технологических площадок полного цикла для обучения и демонстрации преимуществ новых технологий; в-третьих, отсутствие компетенций и несовершенство технологии; в-четвертых, отсутствие нормативной и технической документации. Взаимо-действие с высокотехнологичными предприятиями, разработка и внедрение актуальных программ высшего и дополнительного образования, экспериментальная и исследовательская база позволят Передовой инженерной школе НИТУ МИСИС создать необходимые условия для их преодоления.

Реалии сегодняшнего дня сдерживают или стимулируют развитие отечественных материалов, оборудования, технологий?

Реалии сегодняшнего дня, связанные с беспрецедентным санкционным давлением, являются окном возможностей для развития аддитивных технологий в России. В настоящий момент в рамках комплексной научной программы Госкорпорации «Росатом» направление аддитивных технологий получило широкое развитие. Так, созданы системы сканирования лазерным лучом, востребованные в технологиях СЛП и СЛС Создаются уникальные единицы аддитивного оборудования, работающего по всему спектру техно-логий (СЛП, ВТСЛП, ПЛВ и пр.). Впервые в России разработана технология спекания изделий из карбида кремния и получен ряд других результатов.

Опыт реализации комплексной научной программы как в Госкорпорации «Росатом», так и других высокотехнологичных предприятиях России показал очевидный дефицит высокотехнологичных кадров и стал одним из основных стимулов для создания Передовой инженерной школы НИТУ МИСИС.