О хакатонах

Из названия следует, что хакатон — это марафон, на котором хакеры объединяются для решения конкретной задачи. Обычно такие мероприятия длятся 48 часов, в течение которых участники разрабатывают прототипы продуктов (MVP) или услуг. Под «хакерами» здесь, конечно, подразумеваются не компьютерные взломщики, а просто креативные, талантливые программисты, желающие применить свои навыки на деле.

Хакатоны проводят крупные компании (Яндекс, Сбер, ВТБ и др.), госструктуры, благотворительные организации и вузы. Ежегодно только в России проходят десятки таких соревнований по самым разным направлениям: «Лидеры цифровой трансформации», Moscow Travel Hack, InnoGlobalHack, «Цифровой Прорыв», Nuclear Hack, Moscow City Hack, DEMHack и многие другие.

Для участников это уникальная возможность получить реальный опыт командной работы, расширить портфолио, обзавестись новыми контактами и при должной подготовке выиграть денежный приз (в крупных хакатонах от 500 000 до 1 000 000 рублей, а иногда и больше). Например, за последние 5 лет члены хакатон-клуба Университета МИСИС ITAM выиграли более 35 млн рублей.

А о том, как подготовиться, мы расскажем ниже.

1. Собственно, зачем?

Прежде всего ответьте себе на вопрос: зачем оно вам нужно? Причины могут быть разные, часть уже перечислили. Суть же в том, что разные хакатоны различаются тематически и рассчитаны на разные уровни подготовки, поэтому стоит выбирать тот, который лучше соответствует конкретно вашим целям и возможностям. От этого будет зависеть и стратегия подготовки.

2. Сильная команда — залог успеха

Если соберёте хорошую команду, то считайте, что полпути уже пройдено. На хакатонах лучше работать с опытными людьми, которых вы уже знаете.

Идеальная команда — это микс из разных специалистов. Комбинации могут разниться, однако часто нужны бэкенд- и фронтенд-разработчики, программисты, дизайнеры. Важно, чтобы каждый хорошо разбирался в своей области, а команда в целом покрывала основные направления разработки.

На хакатонах структура команд может варьироваться. В некоторых случаях количество участников вовсе ограничено. Есть и те, кто выступает один, но это тяжело и, скажем прямо, не слишком продуктивно.

3. Изучите тему и требования хакатона

Звучит очевидно, однако многие отсеиваютися именно на этом этапе.

Перед тем как зарегистрироваться, внимательно прочитайте описание хакатона. Понимание поставленных задач, технологий и критериев оценки проектов поможет вам сосредоточиться на нужных аспектах разработки. Изучите примеры решений, представленных на прошлых хакатонах: это даст вам представление о том, что в теории может сработать.

Иногда заказчик может составить задачу широко или, наоборот, слишком размыто. Ваша цель — понять не «что сделать», а «какую проблему решить». Этому поможет не только следовать ТЗ буквально, но и выстроить коммуникации с заказчиком.

Также внимательно изучите критерии оценки. Если 40% баллов дают за «инновационность», не делайте скучный клон существующего сервиса.

4. Подготовьте инструментарий

Хакатон — не время для первого знакомства с новым фреймворком. Попрактикуйтесь в работе с конкретными инструментами, которые планируете использовать. Не стесняйтесь прибегать к шаблонам, библиотекам и API. Всё это значительно ускорит процесс разработки.

Не забывайте про системы контроля версий. GitHub позволяет сохранять версии вашего продукта и откатываться к определенному коммиту, чтобы вносить изменения. Также члены вашей команды смогут работать над конкретными ветками функций. Затем вы можете взять эти ветки и объединить их в основной продукт после теста, чтобы убедиться, что всё работает как надо.

Внимание! Всегда проверяйте условия использования готовых библиотек. Если вы возьмёте решение с лицензией, запрещающей коммерческое использование, для корпоративного заказчика ваш проект станет юридически непригодным.

5. Есть ли у вас план, мистер Фикс?

Разработайте четкий план действий, который поможет эффективно реализовать проект за ограниченное время.

Хоть и нельзя заранее учесть каждую мелочь, план поможет продумать простые продукты и не переусердствовать со вторичным функционалом. Если времени настолько мало, что не до планирования, то просто продумайте ключевые идеи, которые помогут конечному пользователю, и работайте в режиме 20 на 80. Это именно то, что ищут компании и поможет им вас заметить.

6. Не бойтесь менять курс

Если в середине хакатона вы поняли, что выбранная идея слишком сложная или не решает задачу, меняйте её. Умение быстро перестроиться («сделать пивот») и выдать упрощённое, но рабочее решение ценится выше, чем упорство в реализации заведомо провальной стратегии. Не бойтесь «убивать» фичи, которые тянут команду на дно.

7. Подготовьтесь к защите проекта

Грамотно структурированная презентация важна не меньше, чем сам проект. Поэтому подготовку к защите стоит начинать заранее — чем раньше, тем лучше.

Структура презентации должна быть логичной: название проекта и команды, описание проблемы, ваше решение, демонстрация рабочего прототипа и перспективы. Не забывайте о визуальном оформлении: никто не станет читать полотна текста, а с графиков и диаграмм должна легко считываться информация.

Для спикера составьте последовательную речь, которая не будет повторять содержание слайдов.

Перед выступлением уточните у организаторов, можете ли вы показать видеодемонстрацию вашего решения либо прямо во время питча, либо ответов на вопросы. Потому что иногда скриншотов и слов недостаточно. Ну, а если можно продемонстрировать лайв-демо, то ещё лучше.

8. Нетворкинг и обратная связь

Хакатоны — отличная возможность получить фидбек от бизнес-заказчиков, менторов и инвесторов: заранее подготовьте вопросы и консультируйтесь. Общайтесь с другими командами: они могут предложить полезные решения или даже стать вашими будущими коллегами. Также не стесняйтесь обращаться к открытым ресурсам — Stack Overflow, GitHub, документации. Особенно ценны комментарии жюри.

Победа в хакатонах — это только начало пути, а накопленные опыт, связи и проекты заложат фундамент вашей будущей карьеры в ИТ.

«Умная» индустрия — что это?

Цифровая трансформация производства и переход к индустрии 4.0 — это ключевое стратегическое направление развития современной промышленности. Изменения затрагивают бизнес на всех уровнях: от управления технологическим процессом до обеспечения документооборота.

Вопреки ажиотажу, всё не так просто: интеграции цифровых технологий и масштабная автоматизация требуют глубоких знаний в области IT, электроники, физики объектов. Только тогда машиностроители могут трансформировать традиционные устройства в их цифровые аналоги, собирать данные и разрабатывать алгоритмы для контроля и оптимизации.

Роль инженеров в «умных» заводах будет расширяться, они возьмут на себя новые, разнообразные задачи. Для успешного внедрения решений в рамках Индустрии 4.0 машиностроителям необходимо адаптировать реальные физические системы для цифрового мира.

Возьмём типовую фрезерную станцию: её комплектуют датчиками температуры, вибрации, тока шпинделя и затем подключают к программируемому логическому контроллеру. Данные передаются в систему управления производством (MES) и используются для построения цифрового двойника, который моделирует нагружение и износ инструмента в реальном времени. На базе этих данных развёртывают алгоритмы предиктивного обслуживания и автоматической оптимизации режимов резания — это позволяет планировать замену инструмента до возникновения брака, снижать простои и повышать точность обработки.

Для такой работы машиностроителю нужны навыки интеграции датчиков и контроллеров, обработки сигналов, построения конвейеров данных и базовое понимание методов машинного обучения, чтобы корректно интерпретировать прогнозы и внедрять их в производственный цикл.

Печатают не только чернилами

Аддитивные технологии — метод создания трёхмерных объектов, деталей или вещей путём послойного добавления материала с помощью 3D-принтеров. Ещё недавно технология считалась лишь основной для прототипирования, однако с недавнего времени её начали применять в производстве высококачественных деталей, покрытий и легирования. 3D-печать позволяет создавать конструкции, которые раньше было невозможно или экономически нецелесообразно производить традиционными методами.

Представьте, что вы изготавливаете устройства для частных предприятий. Заказ уже почти готов к отправке, но производственный процесс встал из-за того, что нет нескольких маленьких, но критически важных деталей — либо задержали поставки, либо их создание ресурсозатратное и на выходе высок шанс брака. Неприятно, однако такое случается повсеместно. В подобных случаях на помощь приходят собственные 3D-принтеры. Аддитивное производство позволяет производить высококачественные детали в кратчайшие сроки. Многие компании уже поставили на поток печать собственных расходных материалов, например фрезы и свёрла.

Не последнюю роль аддитивное производство играет в аэрокосмической и автомобильной отраслях, потому что позволяет создавать более лёгкие и прочные конструкции за счёт сложной геометрии.

Материалы нового поколения

В современной машиностроительной практике активно применяются материалы и покрытия, способные выдерживать высокие температуры, а также механические и химические воздействия — это обеспечивает надёжность и длительный срок службы изделий.

Особое внимание отведено лёгким и прочным композитам, армированным керамикой, а также антикоррозийным и наноструктурированным покрытиям. Последние позволяют улучшать сцепление компонентов, снижать трение и повышать прочность на изгиб благодаря контролируемой структуре поверхности. Такие покрытия уменьшают потери энергии в механизмах при циклических нагрузках.

Как роботы (не)заменят людей

Сегодня мы наблюдаем глобальный тренд на роботизацию. Однако важно помнить: за созданием роботов всегда стоят люди. Их проектируют инженеры, производят специалисты, обслуживают и эксплуатируют квалифицированные сотрудники. То есть роботизация сама по себе создаёт новые рабочие места в смежных областях. Главное же её преимущество в том, что рутинные и простые сборочные операции можно передать машинам. Это освобождает время и интеллектуальный ресурс людей, позволяя сосредоточиться на создании принципиально новых и более сложных разработок.

Российские вузы проделывают огромную работу, чтобы актуализировать свои образовательные программы и идти навстречу потенциальным работодателям. На базе учебно-производственного центра НИТУ МИСИС ARTCAD студенты вместе с учёными проектируют роботов для прохождения полосы испытаний. Им предоставлен доступ к современному оборудованию в области макетирования: лазерным резакам, 3D-печати, литью металла и пр.

Цифровые двойники и виртуальное прототипирование

В промышленности и машиностроении, где людям из разных предприятий нередко приходится работать над одним проектом, важно обустроить пространство для совместной деятельности. 3D-модели давно стали частью проектирования и разработки, однако экран компьютера не всегда позволяет координировать действия с высокой точностью.

Цифровой двойник — это виртуальная копия реального объекта или системы, которая полностью повторяет её характеристики и поведение. Такой «двойник» создаётся с использованием инженерных моделей, симуляций и данных с датчиков. Двойник позволяет прогнозировать, как изделие поведёт себя в разных условиях, находить слабые места ещё на стадии проектирования и оперативно вносить изменения без необходимости создавать множество дорогостоящих прототипов.

В машиностроении цифровые двойники применяют на всех этапах жизненного цикла изделия. Например, инженеры могут заранее протестировать конструкцию шасси по десяткам сценариев нагрузки или отследить, как будет вести себя двигатель в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, цифровой двойник помогает в обслуживании: датчики фиксируют температуру, вибрации, износ, и система в реальном времени сравнивает показатели с виртуальной моделью. Это позволяет предсказывать поломки и проводить обслуживание до того, как возникнет серьёзная неисправность, снижая расходы и риски простоя.

ИИ против брака

Не менее важный аспект в современном машиностроении — искусственный интеллект и нейросети. Уже сейчас эти технологии позволяют создавать трёхмерные модели по текстовым описаниям, а системы машинного обучения предсказывают потенциальные неисправности и помогают в обслуживании оборудования.

Кроме того, нейросети помогают оптимизировать производственные процессы и контроль качества. Они способны автоматически выявлять дефекты продукции с помощью анализа изображений и других данных, что снижает количество брака.

В заключение отметим, что спрос на инженеров, которые могут работать с такими высокотехнологичными системами, растёт с каждым годом. Компании уже ищут специалистов, способных разрабатывать роботов и автоматизированные системы, проектировать новые материалы и управлять сложными производственными процессами.

Университет МИСИС активно участвует в подготовке таких специалистов. В рамках программы бакалавриата «Технологические машины и оборудование» и магистратуры «Технологические машины и оборудование» студенты с первого курса начинают работать с современными технологиями, такими как 3D-печать и лазерная резка, обучаются прототипированию и роботизации. Обучающиеся разрабатывают конструкции и испытывают их на специальных полигонах, что помогает им не только углублённо изучать теорию, но и получать практические навыки, которые востребованы на рынке труда.

Hello, world

Обычно, заводя разговор об истоках IT индустрии, мы мысленно переносимся в 1950-е годы. Но надо признать, что корни программирования уходят куда глубже. Уже в XIX веке английский математик Ада Лавлейс составила алгоритм для аналитической машины Чарльза Бэббиджа. Она предложила такие понятия, как «цикл» и «рабочая ячейка», которые используются в современном программировании. В память об этом в ряде стран День программиста отмечают 10 декабря, в день рождения графини Лавлейс.

Заметной вехой, которая отмечает достижения в программировании можно считать первый Чемпионат мира по шахматам среди компьютерных программ (WCCC) в 1974 году. Его победителем стала программа Каисса, созданная советскими математиками и программистами. Кстати, участники этой выдающейся для того времени разработки формировали и систему подготовки математиков и программистов в Университете МИСИС.

Другой знаковый пример влияния математической теории (вернее сказать математической логики) – соответствие Карри–Ховарда, которое показало, что доказательство теоремы в логике можно рассматривать как программу, а само утверждение – как тип этой программы. Этот «фундамент программы как доказательства» лег в основу современных функциональных языков и доказательных систем (List, Agda, а также современных языков работы с базами знаний: OWL, SPARQL, SWRL и др.), доказав глубокую связь между математикой и программированием.

В середине XX века разработаны операционные системы семейства Unix, способные осуществлять параллельные вычисления на большом количестве процессоров. Это даёт возможность решать масштабные вычислительные задачи, связанные моделированием физических сложных процессов и проводить многие научные эксперименты силами компьютерных систем.

В основе этих технологий лежат алгоритмы, которые позволяют компьютеру автоматически управлять распределением ресурсов между несколькими пользователями и задачами. Именно эти нововведения стали основой для современных облачных технологий.

Искусственный интеллект и большие языковые модели

Со временем менялись инструменты работы программистов. Появились высокоуровневые языки (Algol, Fortran, Pascal, Java, Python и др.), компиляторы и виртуальные машины.

Появление больших языковых моделей на основе методов ИИ породила явление вайб-кодинга — автоматической генерации программного кода средствами естественного языка.

Новая архитектура моделей ИИ, которую назвали «трансформер» с так называемым механизмом “внимания” (self-attention) может учитывать большой контекст при генерации ответов. На основе этой архитектуры созданы современные чат-боты, способные вести диалог на естественном языке, а также генерировать не только текст, но изображения, музыку и видео. На основе этих технологий появились модели, способные автоматически создавать программный код.

Университет МИСИС активно готовит студентов к новым реалиям. Институт компьютерных наук выпускает специалистов по ИИ, машинному обучению и big data. Например, магистерская программа «ИИ и машинное обучение», реализуемая кафедрой инженерной кибернетики НИТУ МИСИС совместно с ПАО «Сбербанк», обучает современным методам анализа данных и нейросетям, а бакалаврская программа «Алгоритмы и методы наукоёмкого программного обеспечения» включает курсы по программированию робототехнических систем и современным инструментам DevOps. Студенты участвуют в хакатонах и соревнованиях по программированию с первого курса, активно осваивают как классические методы, так и инструменты ИИ. За 5 лет существования Хакатон-клуба в вузе студенты выиграли более 30 млн рублей.

Кибербезопасность

В области криптографии 1970-е годы ознаменовались открытием асимметричного шифрования. В 1976 году Уитфилд Диффи и Мартин Хеллман впервые описали идею открытого ключа шифрования, вскоре после чего Рон Ривест, Ади Шамир и Леонард Адлеман представили алгоритм RSA. Это изобретение позволило безопасно обмениваться данными в интернете, сделав возможными онлайн-банкинг, электронную торговлю и защищённые мессенджеры.

Гомоморфное шифрование позволяет выполнять произвольные вычисления над зашифрованными данными без их расшифровки. То есть, можно «шифровать и не расшифровывать»: сторонний сервер обрабатывает информацию (например, выполнить поиск или фильтрацию спама) и выдаёт результат, оставаясь в неведении о содержимом. Хотя FHE (полностью гомоморфное шифрование) пока производит вычисления сравнительно медленно, ведущие IT‑компании активно работают над его ускорением.

Квантовые вычисления

Недавно квантовый процессор Sycamore от Google на 53 кубитах выполнил задачу случайной выборки цепей примерно за 200 секунд, тогда как суперкомпьютеру для этого потребовалось бы порядка 10 000 лет. Это позволяет полагать, что в обозримой перспективе можно увидеть реальные сферы, в которых квантовый компьютер может существенно превзойти классический.

Хотя такие эксперименты пока демонстрируются на учебных задачах, уже предпринимаются попытки применять квантовые вычисления в оптимизации и моделировании сложных систем.

Для программирования квантовых компьютеров создаются специальные языки и фреймворки. Ведущие разработчики ПО уже представляют соответствующие инструменты для разработки, такие как язык Q#, программные библиотеки — Qiskit, Cirq от IBM и Google. Эти инструменты позволяют разработчику описывать квантовые схемы привычными конструкциями: например, Qiskit, даёт абстракции для создания квантовых цепочек, симуляции и связи с реальными квантовыми процессорами. Эти инструменты позволяют обучать студентов технологиям квантового программирования уже сейчас.

Когда-то руду из шахт поднимали вручную. Сегодня на себя опасную работу берут автономные комплексы. К ним относятся беспилотные карьерные самосвалы, буровые установки для бурения скважин, подземные погрузочно-доставочные машины, а также роботизированные экскаваторы и землеройная техника. В ряде случаев используются и лёгкие рельсовые комплексы, позволяющие перевозить материалы под землёй.

Студенты НИТУ МИСИС тоже не отстают от старших коллег. Ранее они создали робота «Марк» для горнодобывающего предприятия «Норильский никель» — мобильную платформу размером 120×120×80 см для прохождения по подземным выработкам. Каждый его колёсный модуль обладает собственным двигателем и может менять клиренс (расстояние между нижней частью машины и землёй), а платформа снабжена датчиком для 3D моделирования горной выработки. Такой робот может выполнять маркшейдерские съёмки без участия человека.

Аддитивные технологии давно применяются в аэрокосмической, автомобильной и медицинской отраслях, но знали ли вы, что они также активно внедряются и в горную индустрию? 3D-печать позволяет создавать высокопрочные детали для горной техники, например компоненты буровых установок и экскаваторов. Преимущества очевидны: сложные конструкции требуют меньших затрат. Например, в НИТУ МИСИС разработан новый метод 3D-печати, который позволяет создавать металлические детали, устойчивые к высоким температурам и давлению.

Автономные горные системы становятся важным направлением в развитии горной отрасли. Есть компании, которые, например, уже создали беспилотные грузовики, экскаваторы и буровые установки, что позволило горнодобывающим предприятиям снизить затраты на 15% и значительно повысить безопасность на рабочих местах.

Некоторым предприятиям важна независимость от конкретных производителей. Для таких случаев существуют системы, которые можно установить на различные машины без привязки к одному разработчику. Примеры таких решений: Nav/Mobius, Teleop Auto и AutoMine.

Тренажёры виртуальной реальности

Важнее техники и экипировки может быть только подготовка самого шахтёра. Если раньше обучаться приходилось на практике или в учебных классах, то сейчас применяются виртуальные тренажёры. В таких симуляторах специалист отрабатывает алгоритмы действий при экстренных ситуациях (включение самоспасателя, поиск резервного выхода, использование пожарного инвентаря и т. д. при выбросе метана, пожаре, обрушении) без реальной опасности. В НИТУ МИСИС, например, есть лаборатория BELAZ-VR, где представлены тренажёры для работы с карьерными самосвалами. В России всего две таких.

Электромобили в шахтах

Дизельные грузовики и экскаваторы постепенно заменяются электрическими машинами: они снижают выбросы, шум и требования к вентиляции подземных объектов (труды основоположника отечественной научной школы рудничной вентиляции Александра Скочинского, однако, актуальности не теряют). Так, уже существует шахтный электромобиль «Крот Электро». Он подходит как для перевозки людей, так и для грузов. Инженеры отказались от коробок передач в пользу бесшумных токовых приводов. Автономная система управления на базе ROS (операционная система для роботов) самостоятельно прокладывает маршрут, строит карту шахты и реагирует на препятствия. В перспективе парк электротранспорта позволит одному диспетчеру дистанционно управлять десятками таких машин.

Системы контроля над шахтой

Повышение безопасности на объектах — первоочередная задача. На смену традиционным методам отвода воздуха пришла автоматизированная система вентиляции. Они собирают данные с анемометров и датчиков, установленных по всей шахте, и автоматически контролируют подачу воздуха. В специальных диспетчерских центрах можно отследить параметры для каждого участка. Это помогает своевременно реагировать на опасные скопления газов.

Учёные НИТУ МИСИС разработали агрегат, который точечно воздействует на стенки скважин, помогает проводить их разрыв и развивать трещины вглубь массива, чтобы снизить риски выброса метана. Это сможет предотвратить несчастные случаи, спасти жизни шахтерам и техническому персоналу угле- и горнодобывающих компаний. Также существуют вакуумные метанодренажные установки и мобильные системы дегазации, которые забирают метан ещё до того, как он попадёт в горные выработки.

Российские компании также разрабатывают современные шахтные системы безопасности, которые составляют серьёзную конкуренцию мировым аналогам. Эти комплексы позволяют в реальном времени отслеживать концентрацию метана и других газов, уровень пыли, скорость воздушных потоков, температуру и влажность, автоматически управляют вентиляцией и оборудованием, а также обеспечивают связь и оповещение в аварийных ситуациях. Главная особенность — непрерывное определение местоположения шахтёров с точностью до метра, что жизненно необходимо в экстренных ситуациях.

Техногенные землетрясения можно предсказать

Знали ли вы, что можно запатентовать способ оценки максимально возможной магнитуды землетрясений на территориях, где происходит освоение недр и ведутся горные работы? А это уже сделано. В научном центре Горного института НИТУ МИСИС «Геодинамика и геоэкология недр» изучается реакция горного массива на техногенные воздействия. В том числе используется научная концепция, предполагающую наличие в земной коре особого слоя переменной мощности, в котором породы находятся в предельно напряженном состоянии. Понимание этих процессов имеет решающее значение для горнодобывающей деятельности и эксплуатации ресурсов.

В заключение

Сегодня шахтёрский труд уже не сводится лишь к физической работе — он становится частью большого комплекса высокотехнологичных автономных систем. Но смысл его остаётся неизменным: именно благодаря шахтёрам общество получает доступ к необходимым для повседневной жизни ресурсам. Поэтому День шахтёра — это напоминание нам с вами о том, что развитие страны невозможно без тех, кто осваивает глубины Земли, ведь каждый новый подъём к вершинам науки, техники и промышленности начинается с того, что кто-то спускается в шахту.

За этим стоит глубокая научная трансформация, о которой сегодня пойдёт речь.

Учёные отмечают, что по качеству напечатанные детали зачастую сравнимы с обычными, а в некоторых случаях и вовсе превосходят их благодаря оптимизированной структуре. При этом 3D-печать позволяет сократить затраты на оснастку, уменьшить объёмы отходов и ускорить выход новых изделий на рынок.

Эксперты прогнозируют рост объёма мирового рынка аддитивных технологий до ~83,6 млрд долларов к 2030 году. В России рынок за 1 год уже достиг 4,5 млрд рублей и, по прогнозам Минпромторга, вырастет до ~58 млрд к 2030 году.

Именно поэтому металлургические предприятия активно инвестируют средства в разработку 3D-принтеров и подготовку специалистов.

Что уже в ходу

За последние годы удалось достигнуть ряда важных достижений, которые уже применяются на практике. К примеру, металлурги начали внедрять гибридные технологии: после печати критической части детали тут же выполняется её механическая доводка, что ускоряет производство и снижает количество дефектов. Также появились расширенные фабрики 3D‑принтеров, где несколько установок выпускают партии сложных запчастей одновременно. Активно развиваются автоматизированные поточные линии, совмещающие печать и постобработку деталей за единый цикл.

Компании переходят к «виртуальному заводскому цеху», где изделия сначала проектируют и тестируют на компьютере и только затем отправляют в производство. Таким образом можно сэкономить на хранении комплектующих и при сбоях в поставках печатать необходимую деталь на месте.

Почему не каждый металл подходит

Не все металлические сплавы одинаково подходят для послойного наращивания. В трёхмерных принтерах широко используют специализированные нержавеющие стали (316L, H13), титановые сплавы (Ti-6Al-4V), никель-хромовые суперсплавы (Inconel, CoCr). Дело в том, что высокоуглеродистые и быстро остывающие материалы при печати обычно трескаются. Например, чистая медь сильно отражает лазерный луч и плохо сплавляется, поэтому, чтобы ей печатать, разрабатывают материалы с особыми легирующими элементами. По тем же причинам, например, к алюминию добавляют кремний, чтобы уменьшить усадочные напряжения.

Отдельно выделяют высокоэнтропийные сплавы — сложные многокомпонентные системы с 5-ю и более основными элементами. Они прочные и термостойкие, благодаря чему повсеместно применяются для 3D-печати.

В России для аддитивных технологий изготавливают металлическую проволоку. Так, на Чепецком механическом заводе (ГК «Росатом») освоили производство порошковой титановой проволоки для промышленной 3D-печати. Изделие применяется в технологиях наплавки, где сплав подаётся в виде проволоки и локально сплавляется. Кроме того, учёные НИТУ МИСИС разработали новый сплав: в нём кальций заменил дорогие редкоземельные элементы, что значительно снизило его стоимость и при этом сохранило высокие прочностные характеристики.

Как печатают металл

Селективное лазерное плавление (SLM) — один из самых распространённых методов: металлический порошок распределяется тонким слоем и по определенным траекториям сплавляется лазером. После наносится новый слой и процесс повторяется. Этот метод обеспечивает очень высокое разрешение печати (толщина слоя порядка 20–80 мкм) и позволяет работать практически со всеми промышленными металлами. Однако SLM обладает рядом ограничений: медленная скорость печати, детали часто требуют поддерживающих конструкций под нависающими участками, для каждого материала нужна своя рецептура сплава, а сам порошок со временем теряет свойства.

Ещё одно перспективное направление — методы прямого подвода энергии и материала (DED). К ним относятся лазерная наплавка порошком и проволокой: LENS (Laser Engineered Net Shaping) позволяет воссоздавать крупногабаритные изделия и ремонтировать детали. Электроннолучевая проволочная наплавка (EBAM) позволяет печатать объёмные конструкции с помощью металлической проволоки и электронных пучков. Такая наплавка отлично подходит для крупных стальных каркасов и корпусных частей, хотя слои получаются толще, чем при SLM.

Струйная печать связующим веществом (Binder Jet) работает иначе: на порошковую заготовку послойно впрыскивают жидкое связующее, прямо как в обычном принтере. Затем порошковую заготовку сплавляют или запекают. Метод особенно эффективен при изготовлении больших литейных опок.

Во многих системах печати уже применяют компьютерное моделирование для подбора оптимальных параметров мощности лазера, скорости сканирования и толщины слоя, что позволяет заранее спрогнозировать структуру материала.

В  развитие аддитивных технологий активно включаются крупнейшие российские предприятия. Например, ГК «Росатом Аддитивные технологии». Норникель напечатал крупную литьевую спиральную камеру насосного агрегата для своего комбината — раньше замена этой детали весом около полутонны требовала годового цикла изготовления. Благодаря 3D-сканированию и металлопечати эту операцию удалось выполнить за недели, минуя долгие этапы создания подробных чертежей.

Новолипецкий металлургический комбинат внедрил две промышленные установки 3D-печати песчаных форм: они печатают насосные корпуса, роторы, каркасы и даже десятитонные корпуса спекательных тележек. Изготовление форм удалось ускорить пятикратно, а качество отливок значительно улучшилось.

Кто стоит за инновациями

За развитием аддитивных технологий зачастую стоят университеты и НИИ. Например, в Передовой инженерной школе НИТУ МИСИС впервые в стране научились печатать вольфрам-медные композиты с гироидной структурой. Такой материал открывает возможность создания новых обращенных к плазме компонентов в термоядерной энергетике. В СПбПУ создан Инфраструктурный центр НТИ «Технет» по аддитивному производству, а также впервые в России разработано собственное программное обеспечение для управления металлопринтером. Уральский федеральный университет совместно с индийскими учёными освоил 3D-печать из жаропрочных титановых алюминидов. Новая технология позволяет получать детали, выдерживающие температуру до 700°C при меньшей массе по сравнению с никелевыми аналогами.

Всё не так просто

Главный недостаток аддитивных технологий заключается в том, что промышленные металлические 3D-принтеры стоят в десятки раз дороже обычных станков, а материалы быстро расходуются. Кроме того, невысокой остаётся скорость печати: например, SLM-машины за один час могут наплавить лишь несколько килограммов металла. Это ограничивает использование аддитивных методов в массовом производстве.

Также технологии SLM и EBM требуют сложных поддерживающих структур для деталей с нависающими элементами, они энергоёмкие и чувствительные к свойствам порошка. К тому же порошок со временем разрушается: его мелкие частицы слипаются, что ухудшает качество повторно использованных материалов. Другие методы, такие как Binder Jet, позволяют печатать с большей скоростью, но готовые изделия получаются пористыми и требуют дополнительного спекания.

Всё это — пока нерешённые задачи.

Контроль качества изделий аддитивного производства

Традиционная металлургия развивалась на протяжении многих столетий — от первых способов литья раскалённого металла до современных автоматизированных производств. За это время были разработаны строгие стандарты и требования, которые сегодня закреплены в нормативных документах.

В то же время всё большее значение приобретают аддитивные технологии, чьи изделия находят применение в высокотехнологичных и ответственных отраслях — таких, как аэрокосмическая промышленность, атомная энергетика, медицинское оборудование и другие. В этих областях особенно важен высокий уровень контроля качества.

Для анализа и оценки изделий, созданных с помощью 3D-печати, используются методы, ранее не применявшиеся в традиционной металлургии. Например, компьютерная томография, известная благодаря своему применению в медицине, теперь активно используется для изучения внутренней структуры аддитивных деталей. Это позволяет выявлять микроскопические дефекты и особенности без повреждения самого изделия.

Под изменяющиеся реалии создаются новые профессии. Так, первой в России образовательной программой, которая подготовит специалистов в области стандартизации и метрологии в "аддитивке", стала магистратура «Сертификация изделий аддитивных технологий» в НИТУ МИСИС.

Заводы будущего — уже рядом

Программное обеспечение для оптимизации топологии и прогнозирования свойств материалов, системы «умного завода» с дистанционным контролем, аддитивное прототипирование в сочетании с дополненной реальностью — всё это постепенно входит в практику и скоро станет рутинной частью металлургической отрасли.

Ожидается, что комбинация классической металлургии и аддитивного производства позволит резко повысить технологичность промышленных изделий, снизить их вес и экологический след, а сами металлурги смогут конструировать изделия практически любой формы.