Центр компетенций НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества»

Центр компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» на базе Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет).

Ключевой целью работы распределенного Центра является создание нового, цифрового подхода к «быстрому» и «сквозному» проектированию, разработке, испытанию и применению новых материалов и веществ.

Цели и задачи

Основная задача Центра НТИ это развитие отрасли цифрового материаловедения, включая разработку программно-аппаратного комплекса (ПАК), обеспечивающего хранение данных о материалах и технологиях их получения, синтеза, переработки, компьютерное моделирование материалов и их испытаний, а также системы прогнозирования свойств новых материалов. Все проекты Центра учитываются как составные элементы данного ПАК.

В научно-исследовательском направлении: создание конструкционных и функциональных материалов нового поколения, цифровых двойников, материалов и конструкций на их основе, разработка технологий получения новых материалов и веществ, создание и наполнение цифровой базы данных по свойствам материалов и веществ.

В образовательной деятельности формируется высокопрофессиональный кадровый резерв для нужд цифровой экономики, оптимизирующий ключевые и особо ответственные этапы технологических процессов, улучшающий показатели эффективности и результативности не только отдельных подразделений, но и предприятий в целом.

В инфраструктурном направлении работы Центра НТИ будут созданы специализированные лаборатории, научно-образовательные подразделения Центра как для подготовки новых специалистов для реального бизнеса, так и переподготовки существующих сотрудников.

Реализация поставленных целей и задач приведет к созданию новых видов продукции и/или услуг, основанных главным образом на применении технологических решений, разработанных Центром НТИ в следующих отраслях и секторах экономики: в отрасли энергетики (НТИ «Энерджинет); в биомедицине (НТИ «Хелснет»); в аэрокосмической отрасли (НТИ «Аэронет»); в отрасли судо- и автомобилестроения (НТИ «Маринет» и «Автонет»); в области цифрового проектирования (НТИ «Технет»); в строительной отрасли и т.д.

Большая часть проектов Центра не привязана к одной существующей отрасли, а ориентирована на развитие и применение в нескольких отраслях сразу, например, разработки в области термопластичных полимеров и изделий на их основе.

Результаты деятельности

Основная задача Центра НТИ это разработка подходов к цифровому материаловедению - программно-аппаратного комплекса (ПАК), обеспечивающего хранение данных о материалах и технологиях их получения, синтеза, переработки, компьютерное моделирование материалов и их испытаний, а также системы прогнозирования свойств новых материалов. Все проекты Центра учитываются как составные элементы данного ПАК.

Значимые результаты научно-исследовательской деятельности

Разработаны новые термопластичные связующие и препреги на их основе, а также цифровые методы проектирования готовых изделий. Ключевыми преимуществами разработанной технологии стали: ориентация на отечественное и сырьё и оборудование, математическое сопровождение всех стадий разработки, создание качественных композиционных материалов на основе новых суперконструкционных термопластов, из относительно доступных исходных соединений. Проект завершен в 2022 году.

Разработаны оборудование и технология создания объемных нетканых преформ на основе углеродных волокон с использованием аддитивного технологического процесса.

Спроектирован и изготовлен автоматизированный комплекс создания объемно-армированных преформ изделий из ПКМ с нетканой структурой и разработана технология изготовления композитов с применением нового оборудования, позволяющая достичь повышенные физико-механические свойства и технико-экономические показатели при производстве по сравнению с существующими способами. Проект завершен в 2022 году.

Разработка цифровой модели течения связующего при формовании изделий из ПКМ методами пропитки. Данное решение заменит традиционные технологии в существующих и вновь создаваемых процессах производства, упрощая разработку преформ изделий сложной геометрии и/или сложных схем армирования и повышая скорость освоения технологии изготовления новых изделий, качество (стабильность и предсказуемость) процесса пропитки, точность проектных расчетов физико-механических свойств изделий. Проект завершен в 2022 году.

Разработана система прочностных расчетов анизотропных материалов. Создан программный модуль “Цифровой двойник” материалов, позволяющий проводить расчеты методом численного моделирования цифровых двойников реальных изделий из анизотропных (преимущественно, композиционных) материалов, что позволит решать широкий круг задач механики (статики, динамики), термомеханики, связанных задач, оптимизации структуры композита. Применение модуля «цифровой двойник» материалов сможет обеспечивать снижение временных, финансовых, материальных, иных ресурсных затрат на порядок и более, что обеспечит поставку продукции с конкурентными характеристиками в кратчайшие сроки в зависимости от возникающей конъюнктуры на глобальном высокотехнологичном рынке. Проект завершен в 2022 году.

Разработана цифровая технология автоматизированного подбора состава и прогнозирования свойств полупроводящих матриц, обеспечивающих возможность саморегуляции электросопротивления, для систем обогрева различного назначения. Данная технология позволит сократить стоимость разработки, как следствие сокращения количества изготавливаемых опытных образцов и их испытаний, сократить время на разработку новой и\или модификацию существующей рецептуры для изготовления полимерной полупроводящей матрицы для однородных систем электрообогрева широкого круга бытового назначения. Все это сократит время с начала разработок до серийного выпуска, адаптивность продукции к требованиям рынка, снизит себестоимости выпускаемой продукции за счет оптимизации компонентного состава используемых материалов. Проект завершен в 2022 году.

С 2021 по настоящее время инфраструктура обновлялась и выглядит так:

Лаборатория молекулярного моделирования
Лаборатория функциональных материалов
Лаборатория «Неразрушающий контроль»
Лаборатория порошковых материалов и наноматериалов
Лаборатория конструкционных материалов и сплавов
Лаборатория испытаний материалов

В 2022 году Центр был дооснащен тремя учебно-демонстрационными стендами для получения изделий из ПКМ методом вакуумной инфузии. Стенды используются для практических занятий по разработанным Центром НТИ программам ДПО. Данное оборудование позволило собрать обширную базу данных для отработки алгоритмов цифровой модели течения связующего при формовании изделий из ПКМ.

Создание и лицензирование РИД

За последние два года (2021 - 2022) было заключено 26 лицензионных соглашений на передачу права использования и (или) отчуждения права на результаты интеллектуальной деятельности (далее – РИД), созданных Центром НТИ и (или) находящихся под управлением Центра НТИ.

В 2023 – 2024 году: 20 заявок на правовую охрану РИД, 21 научная статья Q1 и Q2.

Консорциум

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. В 2023 году к консорциуму присоединились:

образовательные организации:
1. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» (ЮФУ);
2. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова» (МГУ);
3. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ);
4. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ).
научные организации:
1. Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский федеральный ядерный центр Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ ВНИИЭФ»);
2. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук (ИВС РАН);
3. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, (ИФХЭ РАН).
коммерческая компания:
1. ООО «Орлан Диджитал».

Всего в консорциуме 15 компаний, включая:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина»
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук
Общество с ограниченной ответственностью «Межотраслевой инжиниринговый центр МГТУ им. Н.Э. Баумана»
Общество с ограниченной ответственностью «СК-СХД»
Общество с ограниченной ответственностью «ГАЛЕН»
Общество с ограниченной ответственностью «Научно-технический центр «АПМ» и другие.

Проекты

В Программе Центра было 17 проектов, из которых:

5 в плановом порядке завершились в конце 2022 года,
2 в плановом порядке завершились до конца 2023 года,
4 досрочно завершены в декабре 2022 года,
3 досрочно завершены в течение 2023 года,
1 будет завершен в течение 2024 года в урезанном виде в связи с продлением сроков работ и в связи с ПП 2478,
2 вошли в состав «базовой части» Программы и будут продолжены в 2024 году.

В 2023 году добавлена реализация мероприятия Технологического суверенитета «Реализация проектов поднаправления №4 «Перспективные материалы и цифровое материаловедение» Дорожной карты ВТН «Технологии новых материалов и веществ» совместно с ГК «Росатом».

Таким образом Центр НТИ МГТУ им. Н.Э. Баумана продолжает реализовывать 3 проекта из «базовой» части программы 2021 года, и начинает реализацию 12 проектов из обновленной программы 2023 года с включением мероприятия ТС в соответствии с «дорожной картой» развития высокотехнологичного направления. Из 12 новых проектов 2 реализуется непосредственно базовой организацией - МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1 проект реализуется совместно с ФИЦ ПХФ ПАН, а 9 проектов - силами участников Консорциума.

Перечень проектов:

Разработка новых функциональных ориентированных 2D и 3D ПКМ, в том числе с использованием графена и его аналогов, и методов их получения с использованием аддитивных технологий
Разработка цифровой базы данных по материалам (ПКМ), цифровых паспортов материалов и их увязка с инженерным и научным ПО в рамках общей цифровой платформы
Новые конструкционные термопластичные материалы: направленный дизайн, цифровое моделирование, исследование свойств, технологии производства
Цифровизированный анализ и управление электрохимическими и защитными свойствами специальных функциональных композиционных материалов и "умных" полимерных покрытий для техногенно-природных сред
Разработка единой цифровой технологической платформы инженерного программного обеспечения (в части PDM/CAD/CAE/CAPP/CAM) для проектирования, анализа и автоматизированного изготовления изделий из полимерных композиционных материалов
Разработка единой цифровой платформы по строительному материаловедению с применением инструментов искусственного интеллекта и возможностью моделировать свойства строительных конструкций
Отечественные мембраны на основе ароматических полиамидоимидов для разделения метанол-содержащих смесей жидкостей при производстве высокооктановых присадок к топливу
Разработка пленочных нанокомпозиционных материалов для защиты металлопродукции от коррозии
Аморфные металлические сплавы
Программно-аппаратные средства комплексного проектирования изделий, синтезируемых из металлических порошковых материалов в процессе лазерного аддитивного производства
Разработка подходов к дизайну функциональных материалов на основе графовых нейронных сетей
Цифровое материаловедение под управлением искусственного интеллекта: разработка рентгеновских резистов для элементной базы наноэлектроники нового поколения

Образовательная деятельность

Особенностью Центра является разработка и реализацию образовательных программ подготовки и профессиональной переподготовки (повышения квалификации) и дополнительного образования в области цифрового материаловедения, материалов и веществ нового поколения, передовых цифровых технологий и искусственного интеллекта с использованием современных образовательных технологий и программ, например VR.

За 2021 и 2022 годы была разработана 81 программа дополнительного образования, по которым прошли обучение 781 человек.

Самой востребованной программой ДПО стала подготовка специалистов по программе "Использование Big Data в материаловедении: имитационное моделирование композиционных материалов". Количество обучающихся в 2022 году – 150 студентов.

Данные онлайн курсы прошло 173 человека. Сейчас курсы размещены на портале Moodle и доступны к прохождению с любого устройства, подключенного к сети Интернет.

В 2023 году разработано и запущено 27 новых программ дополнительного профессионального образования и 2 учебно-методических материала и обучающих ресурса.

Самой востребованной в 2023 году программой ДПО стала подготовка специалистов по программе “Управление высокотехнологичными проектами”. Программа посвящена основным принципам управления высокотехнологичными проектами в сфере новых и композиционных материалов. Количество обучающихся в 2023 году – 172 студентов.

Сотрудники Центра НТИ в 2023 году провели серию открытых образовательных лекций по направлениям «Цифровое материаловедение» и «Новые полимерные и композиционные материалы» на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана Лекции в рамках программы «Приоритет-2030», трек «Новые материалы».