Государственное задание, проект № 1022041100284-5-2.3.1

Руководитель проекта: Печерская Е.А., д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой "Информационно-измерительная техника и технология"

Коллектив исполнителей: Гурин С.А., Новичков М.Д., Мельников О.А., Карпанин О.В., Семенов А.Д., Голубков П.Е., Конованов С.В., Кузнецова М.В., Митрохин М.А., Лысенко А.В., Антипенко В.В., Журина А.Е., Тузова Д.Е., Антипенко В.В., Максов А.А., Волик А.В., Зинченко Т.О., Фимин А.В.

В основе проекта – технология синтеза защитных оксидных покрытий с заданными свойствами на вентильных металлах методом микродугового оксидирования. Данная технология заключается в электроплазмохимическом преобразовании поверхностного слоя. Для автоматизации и повышения эффективности технологического процесса предлагается интеллектуальная система, при разработке которой используются цифровые технологии, элементы искусственного интеллекта, системного анализа. Для получения покрытий с заданными свойствами производится исследование физических закономерностей покрытий; подлежат разработке и совершенствованию методы и методики измерений электрофизических, теплопроводных, механических и других свойств покрытий, требования к которым диктуются конкретной областью применения (в изделиях авиационно-космической техники, военной техники, в машиностроении и транспорте, медицинских имплантах и т.д.). В состав коллектива входят необходимые специалисты, в том числе, ученые, инженеры-технологи, инженеры-конструкторы, инженеры-метрологи  – электроники, программисты, специалисты в области физико- химических процессов.

Проект направлен на системное решение междисциплинарных задач, охватывающих разработку и анализ математических моделей взаимосвязей технологических параметров и свойств оксидных покрытий, анализ и совершенствование принципов, методов и средств формирования и измерений электрофизических, оптических, акустических, механических, морфологических параметров технологического процесса и оксидных покрытий; методик и алгоритмов формирования оксидных покрытий с заданными свойствами; методы управления структурным состоянием конструкционных оксидных покрытий на металлах вентильной группы (и сплавах на их основе) для повышения износостойких показателей изделий авиакосмической, транспортной техники, изделий медицинского назначения (создание биологически совместимых покрытий для различных персонифицированных имплантатов); разработку программно-аппаратного технологического комплекса, реализующего разработанные методы, модели и методики формирования оксидных покрытий с заданными свойствами.

Цель проекта: повышение износостойких показателей изделий авиакосмической, транспортной техники, изделий медицинского назначения (создание биологически совместимых покрытий для различных персонифицированных имплантатов) посредством разработки фундаментальных основ цифрового двойника технологии микродугового оксидирования, включающих интеллектуальные методы управления структурным состоянием конструкционных оксидных покрытий на металлах вентильной группы (и сплавах на их основе).

Задачи проекта:
1. Разработка и совершенствование математических моделей взаимосвязи влияющих факторов и свойств конструкционных оксидных покрытий на металлах вентильной группы, учитывающих физико-химические закономерности МДО-процесса.
2. Анализ и совершенствование принципов, методов и средств формирования оксидных покрытий с требуемыми свойствами.
3. Анализ и совершенствование принципов, методов и средств измерений электрофизических, оптических, акустических, механических, морфологических параметров технологического процесса микродугового оксидирования.
4. Разработка и оптимизация по технико-экономическим показателям методик формирования покрытий на основе интеллектуального выбора оптимальных технологических режимов (с использованием впервые предложенной модели технологического процесса микродугового оксидирования на основе ориентированного графа).
5. Разработка программно-аппаратного технологического комплекса, реализующего разработанные модели, методы и методики формирования оксидных покрытий с заданными свойствами в зависимости от области применения (для повышения износостойких показателей изделий авиакосмической, транспортной техники, изделий медицинского назначения).
6. Апробация и оценка адекватности разработанных моделей взаимосвязи влияющих факторов и свойств конструкционных оксидных покрытий на металлах вентильной группы, верификация методик формирования оксидных покрытий с требуемыми свойствами посредством лабораторных испытаний полученных покрытий с помощью предложенного программно-аппаратного технологического комплекса.
7. Выявление на основе технологий big data и многокритериальной оптимизации с использованием нейронных сетей ключевых процессов и стадий формирования многослойной внутренней структуры оксидного покрытия и их связей с механическими, электрофизическими, морфологическими, теплофизическими свойствами для разработки и оптимизации технологического процесса на основе метода микродугового оксидирования.
8. Разработка фундаментальных основ цифрового двойника технологии микродугового оксидирования, позволяющих на основе предложенных моделей и методов многокритериальной оптимизации на основе нейронных сетей стадий формирования многослойной структуры оксидного покрытия осуществлять выбор оптимальных технологических режимов для получения покрытий с заданными свойствами при условии минимизации погрешности воспроизводимости параметров МДО - покрытий.
9. Тестирование цифрового двойника в лабораторных условиях и оценка его адекватности.

Ожидаемые результаты проекта:
1. Новые и усовершенствованные математические модели взаимосвязи влияющих факторов и свойств конструкционных оксидных покрытий на металлах вентильной группы, учитывающие физико-химические закономерности МДО-процесса. Предлагаемые модели в отличии от ранее известных будут учитывать в совокупности влияние разнородных факторов на параметры покрытий (твердость, износостойкость, пористость, термопроводность и др.), к которым предъявляются различные требования в зависимости от области их применения. Это позволит повысить воспроизводимость параметров формируемых покрытий и минимизировать их разброс от требуемых номинальных значений.
2. Усовершенствованные (по критерию минимального отклонения значений параметров формируемых покрытий от заданных значений) принципы, методы и средства формирования оксидных покрытий.
3. Новые и усовершенствованные принципы, методы и средства измерений электрофизических, оптических, акустических, механических, морфологических параметров технологического процесса микродугового оксидирования. Критерием совершенствования принципов и методов измерений перечисленных параметров является снижение инструментальных и методических погрешностей результатов измерений, повышение быстродействия средств измерений, что способствует улучшению технико-экономической эффективности технологического процесса микродугового оксидирования в целом.
4. Новые методики формирования покрытий на основе интеллектуального выбора оптимальных технологических режимов (с использованием впервые предложенной модели технологического процесса микродугового оксидирования на основе ориентированного графа). Методики будут апробированы и верифицированы посредством лабораторных испытаний полученных покрытий с помощью предложенного программно-аппаратного технологического комплекса.
5. Программно-аппаратный технологический комплекс, реализующий и апробирующий разработанные модели, методы и методики формирования оксидных покрытий с заданными свойствами в зависимости от области применения (для повышения износостойких показателей изделий авиакосмической, транспортной техники, изделий медицинского назначения).
6. Информационная система для многокритериальной оптимизации с использованием нейронных сетей ключевых процессов и стадий формирования многослойной внутренней структуры оксидного покрытия и их связей с механическими, электрофизическими, морфологическими, теплофизическими свойствами для разработки и оптимизации технологического процесса на основе метода микродугового оксидирования.
7. Фундаментальные основы цифрового двойника технологии микродугового оксидирования, включающие в себя математические модели, методики многокритериальной оптимизации на основе нейронных сетей стадий формирования многослойной структуры оксидного покрытия с целью осуществления выбора оптимальных технологических режимов для получения покрытий с заданными свойствами при условии минимизации погрешности воспроизводимости параметров МДО - покрытий.
8. Протоколы тестирования цифрового двойника технологии микродугового оксидирования в лабораторных условиях и результаты оценки его адекватности.

Область применения. В совокупности ожидаемые результаты направлены на разработку фундаментальных основ цифрового двойника конкурентоспособной по технико-экономическим показателям интеллектуальной технологии получения оксидных покрытий с заданными свойствами методом микродугового оксидирования. Внедрение достигнутых результатов на производстве в технологические процессы получения оксидных покрытий на металлах вентильной группы будет способствовать импортозамещению технологического оборудования, в том числе: 1. Установка KT20-50; Лабораторная система плазменного электролитического оксидирования фирмы KERONITE (неофициальное название "Keronator", (Великобритания); 2. Plasma electrolytic oxidation power supply (MILMAN THIN FILM SYSTEMS PVT. LTD., Индия); 3. Micro-arc oxidation power supply (Plasma Technology Ltd., Гонконг); 4. Experimental Plasma Electrolytic Oxidation Process Set-up (NanoCoatings, Inc., США); 5. Установки MAO-30A, MAO-30B, MAO-100A, MAO-100B, MAO-200A (MAO Environmental Protection Technology DG Co., Ltd., Китай); 6. Current controller power supply (Aixcon PowerSystems GmbH совместно с Innovent Jena e.V., Германия). Следует отметить практическую значимость проекта для предприятий ОПК, приборостроительного кластера, инженерно-производственного кластера "Биомед" и др. промышленных предприятий как Пензенской области, так и для предприятий в регионах, входящих в состав НОЦ «Инженерия будущего» и специализирующихся на производстве изделий авиационно-космического, машиностроительного, двойного назначения, медицинской техники: АО “Электроприбор» (г. Пенза), АО «Радиозавод»(г. Пенза), ЦНИИ КМ «Прометей», НИТУ МИСИС, ЦСКБ «Прогресс», РКК «Энергия», ПАО «Кузнецов», ОАО НПК «Иркут», ЗАО «Авиастар-СП», ОАО «Авиакор – авиационный завод», АО «Арконик», СМЗ, ОАО «АвтоВА́З, Группа ГАЗ, ОАО «KУМЗ», и др.