Аддитивные технологии послойного выращивания, или 3D-печать, изделий из металла комплексного внутреннего строения с задаваемыми механическими характеристиками является наиболее перспективным направлением современного машиностроения.

Однако на пути развития технологий послойного выращивания до сих пор стоят нерешённые проблемы, связанные с практической трудностью подбора режима работы аддитивной установки под изготовление конкретного изделия. Экспериментальная настройка режимов работы различных плазменных и аддитивных установок, позволяющая частично или полностью решить вышеописанные проблемы, является сложной и дорогостоящей процедурой, ввиду необходимости согласования множества рабочих параметров, а также высокой стоимости исходного сырья – металлического порошка.

Именно для решения обозначенных трудностей на базе кафедры Лазерных и аддитивных технологий в 2017 году и основана Лаборатория математического моделирования (ЛММ). Основная миссия Лаборатории – глубокое понимание взаимосвязей и закономерностей протекания физических процессов на разных этапах технологического процесса аддитивного производства (от синтеза исходного материала до полного выращивания изделия) с помощью комплексного многомасштабного математического моделирования, как оптимальный путь решения актуальных проблем современного наукоемкого производства.

Спектр задач ЛММ включает теоретическое обоснование и сопровождение натурных экспериментов, проводимых на кафедре, создание цифровых копий аддитивных и плазменных установок с целью оптимизации режимов работы, углублённое обучение студентов теоретической физике, математике и программированию.

В ходе научных исследований в ЛММ разработаны и продолжают совершенствоваться самосогласованные математические модели:  свободно горящей (ненагруженной) индуктивно-связанной плазмы (ИСП), сфероидизации частиц в технологической ИСП, сверхзвуковой наплавки, прямой лазерной наплавки и исследование влияния ультразвукового воздействия на кристаллизацию материала при лазерной наплавке, селективного и твердотельного лазерного спекания.

Руководителем Лаборатории является доцент, кандидат технических наук Илья Цивильский (https://orcid.org/0000-0002-5466-8992) – лауреат государственной премии Республики Татарстан имени академика РАН В. Е. Алемасова в области инженерных наук за 2021 год, тема работы «Физические основы технологии плазменной обработки металлопорошковых композиций для аддитивного производства и получение из них изделий наукоёмкого машиностроения». Также он стал финалистом международного конкурса инженерных расчетов ANSYS Art of simulation 2020 года. Илья Цивильский – автор 35 научных работ (163 цитирования) и 9 программ для ЭВМ, более 30 докладов на всероссийских и международных конференциях, индекс Хирша (Scopus) = 3, индекс Хирша (Web of Science) = 2, индекс Хирша (РИНЦ) = 4.

В Лаборатории  работают 4 сотрудника.

Аспирант 3 года обучения Сергей Никифоров – лауреат научной стипендии АО «ОДК» 2021 года с работой «Моделирование процесса селективной лазерной наплавки», лидер лаборатории «Лазерных и аддитивных технологий» на базе образовательного центра «Сириус», лауреат именной стипендии Владимира Потанина 2019 года, победитель конкурса грантовой поддержки «УМНИК» 2019 года с проектом «Исследование ударно-волнового метода упрочнения сталей». Кроме этого, аспирант разработал 3 программы для ЭВМ, опубликовал 8 исследований ВАК и 1 Scopus, а также более выступил с 20 докладами на всероссийских и международных конференциях.

Аспирант 1 года обучения Антон Мельников стал лауреатом именной стипендии мэра Казани 2021 года с работой «Разработка математической модели плазменной обработки порошковых материалов для аддитивного производства», лауреатом научной стипендии АО «ОДК» 2022 года с работой «Математическое моделирование процессов плазменной обработки порошковых материалов для аддитивного производства». Антон Мельников – соавтор 4 программ для ЭВМ, а также более 17 научных работ, основные результаты которых были представлены на всероссийских и международных конференциях, лучший выпускник КНИТУ-КАИ 2019 года, многократный лауреат стипендий Президента и Правительства РФ.

Магистрант 2 года обучения Ратмир Рубля признан лауреатом научной стипендии АО «ОДК» 2022 года с работой «Многомасштабное моделирование твердотельного спекания на основе вычислительной гомогенизации», победителем XVI республиканского конкурса «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в номинации «Молодёжный инновационный проект» и конкурса грантовой поддержки «УМНИК» 2019 года с проектом «Разработка системы математического моделирования возникновения и компенсации короблений, вызванных термическими напряжениями при 3D-печати из металла и пластика». Также сотрудник Лаборатории входит в десятку лучших студентов КНИТУ-КАИ 2021 года, является многократным лауреатом стипендий Президента РФ, академии наук РТ и Президента РТ.

Бакалавр 4 года обучения Анжелика Сизая – победитель конкурса грантовой поддержки «УМНИК» 2019 года с проектом «Разработка решателя для прочностного расчета композитных материалов авиапромышленности путем моделирования системы метачастиц с эластичными связями», победитель XVI республиканского конкурса «Пятьдесят лучших инновационных идей для Республики Татарстан» в номинации «Молодёжный инновационный проект» и автор 9 научных работ (1 Scopus, 5 РИНЦ, 1 ВАК, 2 тезиса конференций).

За 5 лет Лаборатория математического моделирования стала участником крупных межотраслевых проектов, нацеленных на совершенствование технологий прецизионного производства металлических изделий:

• разработка физико-математического ядра первого Российского комплекса программ для многомасштабного математического моделирования процесса селективного лазерного плавления «Виртуальный 3D-принтер» в 2019-2021 г. (модули «Тепло макроуровень», «Прочность макроуровень», «Тепломассоперенос мезоуровень», «Прочность мезоуровень», «Коробления»), созданного в рамках программы развития приоритетных научно-технологических направлений (ПННТР), утверждённых стратегическим советом госкорпорации «Росатом» в рамках Единого отраслевого тематического плана (ЕОТП) по направлениям «Лазерные технологии» и «Материалы и технологии»;
• проект для компании Siemens по теме: «Оптимизация процесса плазменной сфероидизации для восстановления использованного порошка» в 2019 – 2020 г.;
• грант РФФИ по теме: «Моделирование, экспериментальная диагностика и оптимизация процессов синтеза и модификации композитных порошковых материалов в индуктивно связанной плазме для лазерных аддитивных технологий» в 2018 – 2020 г.;
• госзадание Минобранауки РФ по теме «Внедрение лазерных промышленных технологий на ПАО «Камаз» в 2017 – 2018 г.;
• госзадание Минобрнауки РФ по теме «Исследование фундаментальных принципов при создании новых материалов и технологий» в 2020 – 2022 г.;
• НИОКР в рамках ФЦП по теме: «Новые цифровые технологии моделирования и создания функционально-градиентных материалов и конструкций для аддитивного производства деталей и узлов с переменными структурой, химическим составом и плотностью» в 2017 – 2018 г.;
• проект для компании Siemens по теоретическому описанию физических процессов, сопровождающих аддитивную технологию Binder Jetting и создание программы для моделирования процесса спекания порошка по этой технологии в 2021 г.

Заведующий кафедрой лазерных и аддитивных технологий КНИТУ-КАИ, помощник Президента Республики Татарстан Альберт Гильмутдинов высоко оценивает работу Лаборатории математического моделирования. «Сотрудники занимаются неотъемлемой частью научных исследований – создают теоретическую основу нашим гипотезам. Это позволяет прогнозировать физические явления, экономя при этом на металлическом порошке, достаточно дорогом ресурсе для аддитивных технологий. Всего за несколько лет существования группа стала настоящей кузницей высококвалифицированных физиков-программистов в рамках кафедры Лазерных и аддитивных технологий. Они умело используют знания физики и математические приёмы в сочетании с мощностями вычислительных машин, чтобы открыть огромные возможности для развития передовых технологий», - отметил Альберт Гильмутдинов.

По его мнению, научные достижения руководителя и сотрудников ЛММ позволяют в значительной мере решить наиболее важные проблемы аддитивного производства (высокую стоимость исходного сырья и практическую трудность подбора режима работы аддитивной установки под изготовление конкретного изделия), а результаты могут поспособствовать ускорению внедрения аддитивных технологий на промышленных предприятиях РТ и РФ. Также опыт и разработки Лаборатории позволят  создать в будущем новые региональные и федеральные центры высокоточного аддитивного производства сложных изделий наукоёмкого машиностроения для нужд авиационной, космической и моторостроительной промышленности. Кроме этого, перед подразделением стоит важная задача – совершенствование отечественных технологий 3D-печати металлических изделий на территории РФ.