Молодые ученые Передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» (ПИШ МАСТ, входит в Институт «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» НИТУ МИСИС) рассказали о новых подходах и технологиях, которые востребованы в промышленности и медицине.
Новые векторы развития
Каждый технологический рывок в истории человечества рано или поздно упирался в одну и ту же стену — свойства доступных материалов. Именно они определяют, выдержит ли нагрузку турбина, вынесет ли деталь экстремальные условия, приживется ли имплантат в теле человека.
Долгое время ученые и инженеры просто искали новые материалы и проектировали технологии с учетом ограничений производства деталей, например, сварных швов. Современное материаловедение предлагает мыслить иначе — проектировать материалы под конкретные задачи. В помощь идут новые инструменты: цифровое моделирование и аддитивные технологии.
Именно эти направления активно развивают молодые российские ученые в лаборатории гибридных наноструктурных материалов в составе института «Материаловедения, аддитивных и сквозных технологий» (ПИШ МАСТ) при НИТУ МИСИС. Ключевым индустриальным партнером института выступает госкорпорация «Росатом» в лице АО «Росатом Наука» (управляющая компания Научного дивизиона госкорпорации). Благодаря этому сотрудничеству уже во время обучения студенты участвуют в реальных проектах ведущих предприятий страны.
Моделирование вместо дорогих экспериментов
Современные материаловеды работают с сотнями параметров и условий: от молекулярного строения вещества до поведения детали в экстремальных условиях. Проверить тысячи вариаций в реальных экспериментах невозможно, но можно их смоделировать.
С помощью специализированных программ ученые экспериментируют с молекулярным строением материала, испытывают новые формы детали и проверяют взаимодействие их поверхности с агрессивной средой. Метод «проб и ошибок» никуда не делся — он просто переместился в компьютерную среду. Самые перспективные решения потом проверяют в реальных условиях.
Руслан Гизатулин, студент первого курса магистратуры по направлению «Цифровое материаловедение», с помощью компьютерного моделирования изучает поведение материалов для будущих токамаков.
Токамак — тороидальная установка для магнитного удержания нагретой плазмы, предназначенная для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Внутренняя стенка токамака должна выдерживать продолжительное воздействие нагретой плазмы. Для проверки каждого предположения на реальной установке требуются колоссальные ресурсы. Руслану с коллегами достаточно вычислительных мощностей компьютера.
Специальный пакет программ позволяет ученым лаборатории изучать сложные процессы взаимодействия плазмы с первой стенкой, предсказывать поведение материала, высчитывать предельные параметры. Так они создают базу результатов, на основе которых потом будут проводить реальные эксперименты.
По сути, исследователи лаборатории на молекулярном уровне проектируют энергетику XXII века. Термоядерный синтез в перспективе может дать нам почти бесконечный источник чистой и безопасной энергии, но сперва необходимо найти материалы, которые смогут выдержать продолжительное воздействие раскаленной плазмы.
Биорезорбируемые сплавы
Знаете ли вы, кто стал первым активным «потребителем» технологий 3D-печати? Стоматология. По сей день медицина обеспечивает высокий спрос на новые технологии материаловедения. Уже сегодня 3D-печать активно применяется для создания индивидуальных постоянных имплантатов из титановых сплавов, которые полностью заменяют кость. Однако аддитивные технологии — лишь часть картины. Не менее важны и сами материалы. Например, титан используется не только для создания постоянных имплантатов.
Металлические пластины и винты из титана применяют для скрепления костей при переломах. После сращивания такие крепления необходимо удалить, что требует повторной операции, а каждое хирургическое вмешательство — дополнительный стресс для организма пациента. Поэтому ученые ищут новые материалы, которые смогут выполнять ту же задачу без лишнего риска.
Молодая ученая Анна Камерилова вместе с коллегами разрабатывает в лаборатории биорезорбируемые магниевые сплавы, то есть сплавы, которые со временем просто рассосутся, и человеческий организм их безвредно выведет. Из нового материала будут делать пластины, винты, пины и мембраны, востребованные в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и стоматологии.
Чтобы изучить структуру материала, ученые протравливают образцы смесью спирта с пикриновой и уксусной кислотой, а потом рассматривают их через микроскоп. И это яркий пример того, что не все задачи можно заменить цифровым моделированием!
Без швов и ограничений
Сварочные швы — неизбежные точки напряжения, которые делают деталь более хрупкой. 3D-печать не оставляет таких швов, к тому же позволяет создавать сложнейшие конструкции, которые невозможно изготовить традиционным способом через отливку в формы.
В 3D-печати существуют разные подходы: от лазерного спекания порошка до послойного наплавления филамента (нити). Все это требует создания материала в подходящей форме, а потом и подбора параметров для печати и запекания изделий.
Ксения Петухова вместе с коллегами занимается как раз разработкой технологии печати из нитей с наполнителем из нержавеющей стали. То есть материал уже есть, необходимо выявить его технологические параметры: изучить поведение материала при термообработке и подобрать режимы печати.
В результате из нити, внешне неотличимой от пластиковой, получаются сложные детали из нержавеющей стали. Они востребованы в медицине, двигателестроении и других областях.
Сложные структуры
Одно из главных преимуществ 3D-печати — возможность создавать детали с крайне сложной внутренней структурой. Молодой ученый Виктор Филлинов вместе с коллегами по лаборатории как раз занимается проектированием теплообменников со сложной гироидной структурой внутри.
Теплообменники — устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому.
Гироид — бесконечно связанная поверхность, внешне похожая на решетку из пузырей.
Сложнейшая внутренняя структура позволяет увеличить площадь контакта между жидкостью и охлаждающей жидкостью или воздухом, что ведет к многократному увеличению теплоотвода.
Сейчас ученые лаборатории изучают, как различные параметры этой внутренней решетки теплообменника влияют на его эффективность. Готовые экспериментальные модели группа печатает на 3D-принтере.
Так цифровое моделирование и аддитивные технологии помогают материаловедам проектировать материалы и детали под конкретные задачи промышленности и медицины.
Поздравляем коллектив Научного института «Росатома» в Обнинске с юбилеем!
Подписывайтесь на наш канал и следите за новостями российской науки!
Присоединяйтесь к команде научного блока «Росатома», актуальные вакансии – на карьерном портале.