Искандер Ахатов: «Можно спроектировать целый двигатель и провести его испытания виртуально»

Физик-механик Искандер Ахатов о композиционных материалах, 3D-печати и системе по управлению жизненным циклом продукции

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Производственные технологии», посвященный компьютерному моделированию и 3D-печати. В этом материале руководитель магистерской программы «Новые производственные технологии и материалы»Искандер Ахатов рассказывает о фундаментальных задачах науки о материалах и внедрении западной академической культуры.

Наука о материалах ― широкое понятие. Это, скорее, не наука, а приложение разных наук, среди которых химия, физика, механика. В нашем Центре проектирования, производственных технологий и материалов мы изучаем физические и механические свойства материалов в крупномасштабных конструкциях. Это значит, что их размер ― миллиметр и больше, но это не нанометры. В этой отрасли есть две фундаментальные задачи, которые важны с точки зрения приложения физики и механики к материаловедению.

Первая задача — предсказание прочности композиционных материалов. При создании композиционных материалов используется пористый скелет, который насыщается расплавом полимеров. Потом этот расплавленный полимер застывает, и в нем остаются дыры или поры. Эта пористость оказывает серьезное влияние на финальную прочность конструкции. Физика образования пор до конца не изучена, поэтому непонятно, как с ними бороться. Эта фундаментальная проблема решается на стыке механики, физики и прикладной математики. Почему это важно? Дело в том, что при производстве конструкций из композиционного материала надо знать, какую прочность они будут иметь. Мы не можем построить крыло самолета или деталь автомобиля, если не знаем, какие нагрузки они смогут выдерживать. Поэтому пористость — важная фундаментальная проблема. Нужно понять, откуда она берется, и найти способы ее избежать. А если окажется, что избежать ее нельзя, то нужно понять, как она влияет на физические свойства объектов.

Вторая задача — процесс напыления или покрытия. Как правило, для покрытия твердого тела используется пушка, которая выстреливает аэрозолем и покрывает поверхность. Если смотреть микроскопически, то эти маленькие капельки бьются о твердое тело и иногда не очень ровно ложатся друг на друга. Когда они застывают, получается неровный пористый объект. И здесь опять появляется характеристика пористости, что оказывает существенное влияние на защитные свойства этой пленки и ее прочность. Чтобы понять, как избежать неоднородности и сделать покрытие прочным и с необходимыми свойствами, нужно знать, каким образом отдельные капли бьются о твердое тело.

О прикладных аспектах материаловедения

Наш центр называется Центр проектирования, производственных технологий и материалов. C точки зрения приложения у нас есть три развивающиеся лаборатории. Первая — лаборатория композиционных материалов и структур. В ней мы разрабатываем и изучаем новые технологии создания композиционных материалов и объектов из них. Например, если вы хотите построить мост, вы можете использовать железные отлитые профили или композиционные материалы. Их можно делать специальным образом ― методом пултрузии, и по прочности они будут лучше стальных.

Во второй лаборатории мы изучаем аддитивные технологии. Большая часть работы связана с 3D-принтингом из разных материалов. Полимер ― самый простой из них, так как он легко плавится и его можно вытягивать. Более сложный материал ― металл, так как, чтобы его расплавить, необходим лазерный луч. Следующий по сложности материал ― это керамика. И это одно из самых перспективных направлений нашего центра.

Третья лаборатория — Computer Engineering. Мы изучаем систему product lifecycle management (PLM) (управление жизненным циклом продукции ― Прим. ПостНауки). PLM предполагает, что перед выпуском продукта его нужно создать виртуально, то есть рассчитать его свойства и предсказать поведение. Например, можно спроектировать целый двигатель и провести его испытания виртуальным образом. Такой подход серьезно сокращает время, потраченное на производство новых объектов. Если вы хотите сделать автомобиль и опираетесь только на механические испытания, вы будете пробовать, ломать, делать, опять пробовать. Но если использовать технологии PLM, то можно сначала провести испытания на компьютере и только затем сделать финальный образец. PLM широко используется в аэрокосмической индустрии, в которой эксперименты слишком дорогие. Сейчас мы пытаемся построить лабораторию так, чтобы Сколтех стал платформой для внедрения этих технологий в российскую индустрию.

Другие прикладные лаборатории тесно сотрудничают с PLM, потому что, какие бы данные по свойствам материалов мы ни получали, они идут в базу PLM, которая собирает эту информацию для того, чтобы использовать при последующем дизайне. Это и есть, в общем, шаг в будущее. И так это работает во всем мире.

О системе образования Сколтеха

Наша магистерская программа называется Advanced Manufacturing and Materials («Передовые производственные технологии и материалы»). Студенты, которые к нам приходят, должны обладать фундаментальными знаниями в области математики и физики. Сначала они проходят базовые курсы по механике твердого тела, континуальной механике, вычислительным методам. Затем они могут продолжить изучать одно из трех направлений: композиционные материалы, их свойства и производство; новые современные технологии, включая 3D-печать; Сomputer-Aided Manufacturing, то есть PLM. Отличие Сколтеха от других университетов заключается в двух вещах. Во-первых, мы внедряем международный опыт: все наши профессора ― с Запада. Мы пригласили их, чтобы внедрить западную академическую культуру, методики преподавания и исследовательский опыт. Второе отличие состоит в том, что наука, образование и инновации для студентов неделимы.

О будущем выпускников Сколтеха

У студентов есть возможность в процессе обучения заниматься наукой под руководством профессоров. Кроме того, им предоставляется инфраструктура фонда Сколково, чтобы рискнуть и организовать компанию спин-офф, которая может получить поддержку и развиваться.

Другой путь, по которому могут пойти студенты, ― это традиционный бизнес. У нас есть индустриальные партнеры, с которыми мы разрабатываем совместные проекты, а летом в них участвуют студенты. Это научные инженерные проекты, осуществляемые под руководством представителей развитой индустрии и наших профессоров. Если студент хорошо себя проявит, то эта компания может пригласить его на работу.

Третий путь — научная деятельность. У Сколтеха сильные международные связи, поэтому студенты могут легко поступать в западную аспирантуру. Рекомендации, которые дают наши профессора, серьезно рассматриваются во всех школах за рубежом.

В 2016 году мы набрали первую группу из семнадцати студентов, в 2017-м планируем взять около двадцати человек, ведь у нас нет задачи делать наше образование массовым. Поскольку программа новая, то вначале у нас были заботы получить сертификацию российских органов и в то же время сделать сертификацию международную. Сейчас мы работаем над PhD-программами и собираемся выдавать степень международного образца.

https://postnauka.ru/talks/746...