На базе МГТУ имени Носова после ремонта двери распахнула региональная молодежная «Лаборатория инжиниринга передовых технологий метизного производства»

О наполнении лаборатории и не только – подробнее.

«Магнитогорский рабочий» уже рассказывал о том, как коллектив лаборатории выиграл грант регионального правительства и министерства образования и науки Челябинской области на создание своего научного подразделения – для ремонта помещения и закупки оборудования. И вот после 8 месяцев плодотворной работы лаборатория готова. Перед официальным открытием директор лаборатории Дмитрий Константинов рассказал, как создавалось новое научное пространство.

– Поначалу казалось, что с имеющимся опытом все будет относительно просто. У меня уже были за плечами 10 лет работы в административном подразделении МГТУ им. Носова, 6 из которых я им руководил. Параллельно 12 лет занимался научными исследованиями. Но организация научной лаборатории, как оказалось, куда более сложная задача, ведь контроля требует буквально все: от полов и плитки в аудитории до параметров микроскопов, логистики, закупок и так далее. Но в итоге все получилось.

Про грант

В ноябре 2024 года министерство образования и науки Челябинской области объявило отбор на предоставление грантов на создание региональных молодежных лабораторий. В программу закладывалась максимальная свобода для исполнителей в плане выбора акцентов в организации новых лабораторий. Будущие подразделения должны быть оснащены и организованы так, как научный коллектив посчитает нужным и эффективным для работы на благо промышленного партнера и региона в целом. Поэтому с одной стороны у коллектива проекта была полная творческая свобода, а с другой – нерядовая задача по рациональному освоению имеющихся ресурсов с оглядкой на обозначенную исследовательскую область, предыдущий опыт и будущие цели.

Дмитрий Константинов напомнил:

– Для нас это была третья попытка. Мы каждый год подавали заявки на конкурсы федерального уровня по созданию лабораторий, но, к сожалению, безуспешно. В 2024 году Челябинская область решила провести подобный конкурс уже самостоятельно, в декабре объявили результаты, мы были среди 5 победителей абсолютно разных направлений. И с 1 января 2025-го пошел обратный отсчет до утвержденного срока запуска в сентябре. С одной стороны, разработчики программы дали нам полную творческую свободу, с другой – жесткие сроки обязывали срочно браться за работу. Соответственно, нужно было очень рационально, в рамках имеющегося бюджета, и очень оперативно действовать. После большой работы со службами университета мы имели на руках все необходимые договоры на оборудование и услуги, но ничего осязаемого и «материализованного» еще не было. В конце июля первый телефонный звонок: мне сдают работы по ремонту лаборатории и буквально в этот же день – первая поставка мебели и радостные новости с завода об успешно заключенных договорах на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР). С этого момента каждые два-три дня – звонки из транспортных компаний или служб снабжения. Коллеги подтвердят: каждая разгрузка машины – только с моим личным участием. Эти огромные кучи транспортировочных паллетов, коробок и упаковки во внутреннем дворе, наверно, видели все, кто работал в вузе в августе. Параллельно с этим каждую неделю шли пусконаладочные работы оборудования. И вот уже лаборатория такая, как на плане. Сейчас остались только приятные хлопоты, скорее хотелось бы обзавестись своим сайтом и телеграм-каналом, чтобы информационно продвигать результаты лаборатории.

Про ремонт и оборудование

Поскольку максимально хотелось перераспределить средства гранта в пользу исследовательского оборудования, ремонт необходимо было сделать хоть и по большей части косметическим, но основательным. В рамках имеющегося бюджета было переделано все, от проводки до окон и полов. Соответственно, все это осовременили. Полное названии лаборатории – «Лаборатория инжиниринга передовых технологий метизного производства».

По словам Дмитрия, когда люди видят слова «метизное производство» на табличке, они представляют, что здесь должны стоять прокатные станы, тяжеловесное оборудование… Но помимо стационарных микроскопов на полках лаборатории много мобильных приборов.

– У нас все эти агрегаты в университете и на производстве есть, – пояснил наш собеседник. – Мы закладывали принцип мобильности лаборатории, чтобы быть максимально не привязанными к помещению. Ведь современный инжиниринг материалов в том числе и про камеры, и про искусственный интеллект, и про лазеры. С нынешним оснащением мы ближе к направлению, которое хотел бы видеть регион на этапе создания этой программы, – «Интеллектуальное производство». Тем не менее, внимание бытовым вопросам также было уделено. Помимо базового уюта и комфорта наша аудитория должна быть готова и к образовательной деятельности (если мы решим запускать небольшие обучающие курсы), и к переговорным презентациям с партнерами, и к экскурсиям для молодежи. В перспективе хотелось бы небольшие коллективы, 5-6 молодых ученых, приводить сюда и, не выходя из аудитории, их здесь обучить цифровому инжинирингу материалов.

В лаборатории, не считая расходных материалов и оргтехники, разместились оптический микроскоп с внедренной системой ИИ, один из топовых нагревательных столиков для него, лучший на данный момент в своем классе настольный электронный микроскоп, оптическая система бесконтактного измерения деформации, 3D-сканер, станки – запрессовочный, отрезной, шлифовальный, электролитическая полировка.
Портативный 3D-сканер позволяет получать компьютерные модели любого тела, будь то заготовка, инструмент или узел агрегата. Любое место, куда может попасть свет и лазер, в лаборатории с метрологической точностью могут воссоздать со всеми изъянами и особенностями.

Камеры и микроскопы

Дмитрий продолжил:

– Метод Digital Image Correlation («корреляция цифровых изображений») настолько же прост, насколько гениален. Вы наносите на объект исследования спекл (случайные черные точки на белом фоне) и снимаете процесс испытания или эксплуатации посредством нескольких камер. Специальный алгоритм фиксирует движение точек относительно друг друга, и вы можете наблюдать на видеосъемке реального объекта распределение во времени полей деформации. Алгоритму все равно, что испытывается, система материалонезависимая. Метод самостоятелен, но может также использоваться в комбинации с классическими испытаниями и не только в области обработки металлов давлением. Комбинируя различные объективы, используя даже просто камеру современного смартфона, вы можете получать радикально больше информации в консервативных методах испытаний и на объектах любого масштаба (от стержня на растяжении до многометровых бетонных плит). Эта система – наглядный пример «нишевого» импортозамещения. Наши российские коллеги после ухода зарубежных аналогов разработали подобную систему, которая, надеюсь, в будущем станет еще лучше.

Когда ученые получили 3D-геометрию объекта, исследовали его макроповедение и условия эксплуатации, они спускаются на микроуровень. Для этого применяют приобретенные микроскопы.

– Оптический микроскоп – основа любой металлографической лаборатории. Главное изменение, которое претерпели эти приборы в ходе эволюции, – цифровая камера. Когда мы стали смотреть на объект через монитор, а не только через окуляры, оказалось, что сюда можно подключать вещи, которым мы уже не удивляемся, допустим, в смартфонах. Для нас уже обыденно, что камеры без проблем находят людей на фотографии, корректируют освещение и цвета, устраняют несовершенства кожи. Аналогичные алгоритмы пришли и в эту научную отрасль. Только они различают не лица людей, а зерна и дефекты структуры, – рассказал Дмитрий. – Даже стационарные микроскопы здесь с возможностью дистанционной работы. Вы можете проводить совместный анализ с коллегами или предоставлять им свои вычислительные ресурсы для анализа и сбора данных с их фотографий, сделанных на производстве или другом подразделении.

– Самое главное происходит в этом системном блоке. Это система искусственного интеллекта, разработана она учеными из Екатеринбурга. Это «цифровой лаборант», которому вы «скармливаете» фотографии микроструктур и выделяете знаковые объекты, которые хотите исследовать, а он на основе анализа изображения собирает всю статистику и автоматически ее обрабатывает. На снимке оптического микроскопа может быть, например, 3000 зерен. Подобная система анализирует абсолютно все зерна, которые видит. Аналогичную работу группа материаловедов будет делать несколько дней, а здесь система автоматически микроструктуру проанализировала и самообучилась. В следующий раз, когда вы придете с этим же материалом, нейросеть будет работать лучше и эффективнее, запомнив все, что было изучено в лаборатории.

– С помощью сканирующего электронного микроскопа мы можем получить увеличение в 250 раз больше, чем максимальное на оптическом. Полезное разрешение составляет 5 нанометров, то есть по кончику самореза можно гулять как по Уральским горам. Аналогичный прибор, который 10-15 лет назад наш университет покупал, раза в три больше, а сейчас эта миниатюрная штука весит всего 70 килограммов и работает от обычной розетки.
– Нагревательный столик для микроскопа позволяет нагревать образцы до полутора тысяч градусов по режимам, по которым вы его запрограммируете. Он может нагреть образец, остудить до нужной температуры, держать эту температуру, допустим, нагреть еще раз или охладить и так далее. То есть в режиме онлайн можно видеть, как под действием термообработки меняется микроструктура материала. Для нас это очень важно, ведь посредством маленького образца-«таблетки» диаметром в 5 миллиметров можно уточнить, например, режим термообработки для большого предприятия. А это сразу экономия ресурсов, электроэнергии… Исследовательский потенциал подобного устройства невероятно высок.

– Когда ученые из лаборатории получили компьютерную модель геометрии объекта, узнали макросвойства его материала, микроструктуру, все это они собирают в компьютерную модель, которая учитывает микромеханику деформирования и условия эксплуатации. Так создается цифровой двойник материала. Наша задача в том, чтобы собрать все имеющиеся данные в этот цифровой двойник, над которым можно ставить эксперименты любой сложности. Например, поставить эксперимент, как кусочек микроструктуры проходит весь огромный цех завода, и потом как готовый продукт ведет себя в месте будущего назначения.

Проекты и партнеры

На данный момент в лаборатории действует региональный проект Российского научного фонда, НИОКР с «ММК-МЕТИЗ», идут работы в рамках Уральского межрегионального научно-образовательного центра. Ряд будущих проектов находится на рассмотрении в Российском научном фонде, есть планы по коротким образовательным курсам и ряду научных мероприятий в 2026 году.

– Метизный завод выступил нашим первым заказчиком на исследовательские работы, – рассказал Дмитрий. – Наш первый проект уже в качестве лаборатории посвящен оптимизации действующей технологии производства стальной оцинкованной проволоки для сердечников проводов высоковольтных линий передач и разработке новой технологии производства сварочной проволоки. Оба проекта имеют стратегическое значение не только для завода, но и для смежных отраслей промышленности, потому что, например, зарубежные производители сварочной проволоки ушли с российского рынка в 2022 году, а она принципиально важна для газовой отрасли нашей страны при сварке труб.

– Главный наш партнер – ОАО «ММК-МЕТИЗ», с которым мы давно сотрудничаем. Главным требованием грантовой программы было именно наличие промышленного партнера, который согласится поддержать лабораторию, например, став первым заказчиком. Метизное производство – очень важный для отечественной промышленности передел металлургии, где самая высокая добавочная стоимость конечного продукта. Поэтому цена ошибки или попытки разработать что-то новое очень высока. Если мы посредством своих исследований можем хоть немного удешевить процесс или оптимизировать технологию, это дает сразу огромный эффект – и по финансам, и по скорости работы. Поэтому будем всеми силами стараться оправдать оказанное нам Челябинской областью доверие. Вероятнее всего, на нас будут смотреть как на пример для последующих подобных грантов. В этом году область уже объявила новый конкурс на молодежные лаборатории с поправками, которые увидели при работе в том числе с нами.

Официального открытия лаборатории пока не было, но работу ее коллектив уже ведет. Лаборатория и ее исследовательский концепт были представлены коллегам из регионального минобрнауки в рамках прошедших Дней науки Челябинской области, и проделанная работа отмечена достаточно позитивно. Располагается «Лаборатория инжиниринга передовых технологий метизного производства» в аудитории №340 центрального корпуса МГТУ, и коллектив нового научного подразделения рад всем заинтересовавшимся.