III Международный технологический форум «Инновации. Технологии. Производство». Открытая лекция проректора по перспективным проектам, руководителя Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ Петра Великого А.И. Боровкова "Бионический дизайн"

 

Прежде всего я хотел бы отметить, что первый раз термин «Бионический дизайн» в лекции публично прозвучал на выставке ВУЗПРОМЭКСПО-2015, потом на научно-техническом совете Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК), - можно добавить, что в какой-то степени эта тема родилась в беседах с Ф. А. Шамраем, руководителем проектов ОДК. Дальше она стала обрастать подробностями, деталями, технологиями и подходами. Была выпущена книга «Бионический дизайн», которая играла, в первую очередь, просветительскую роль, объясняя, как это направление развивается в мире.

Эксперты, которые формировали матрицу Национальной технологической инициативы, включили в нее компоненты бионического дизайна. Хочу обратить ваше внимание на технологии: цифровое проектирование / моделирование, новые материалы, аддитивные технологии, бионику, мехабиотронику и так далее. Фактически, это имеет прямое отношение к теме нашей лекции.

Теперь о том, кто мы и откуда мы. Я представляю Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Инжиниринговый центр СПбПУ и ряд высокотехнологичных компаний, работающих на мировых рынках и являющихся лучшими экспортерами, - встроенных в технологические цепочки, работающих по широкому кругу отраслей промышленности с мировыми лидерами, - такими как General Electric, General Motors, Boeing, Airbus; c ведущими предприятиями нефтегазового сектора и лидирующего во всем мире сектора автомобильной промышленности.

В атомобилестроительной отрасли самый короткий цикл высокотехнологичных изделий, самые подверженные реинжинирингу разработки. Как только новая модель выходит на рынок, автомобили этой модели покупают все конкуренты: изучается химический состав, микроструктура материала, сварные точки… все технологии. Все сразу становится известно конкурентам, поэтому это очень специфический серьезный рынок, на котором если ты удерживаешься примерно 10 лет, как это удается нам с мировыми компаниями, то это очень большой успех.

Работая с мировыми компаниями мы осуществляем так называемый «трансфер технологий в отечественную промышленность», который зачастую является кросс-отраслевым. Работая с какими-то компаниями в одной отрасли, ты приобретаешь бесценные навыки, о которых другие отрасли совершенно не знают и не скоро узнают. Эта конвергенция технологий из разных отраслей позволяет создавать технологические цепочки, особенно если вы добавляете туда интеллектуальные ноу-хау, полученные в рамках выполнения реальных работ для разных секторов.

Основным ключевым конкурентным преимуществом, кроме интеллектуального потенциала наших специалистов (в Инжиниринговом центре работает более 100 человек), является то, что мы занимаемся решением «нерешаемых» задач - тех задач, которые не могут решить отрасли или мировые гиганты; именно это двигает вперед наше развитие. Опасно решать однотипные рутинные задачи, - рано или поздно их дешевле решат китайцы.

Мы используем широчайший спектр технологий, - трудоемкость создания этих технологий и сопровождения мировыми лидерами - более миллиона человеко-лет. Это к вопросу об импортозамещении: надо быть готовым вкладывать эти же миллиарды долларов, эти же миллионы человеко-лет в разработки таких технологий. Поэтому с точки зрения наукоемкого высокотехнологичного компьютерного инжиниринга я думаю, это будет сложно; разве только узко сфокусироваться на отдельных классах задач.

У нас должны быть все лучшие технологии: CAD-технологии, инжиниринг, CFD-технологии и компьютерные технологии оптимизации. Большое внимание уделяется HPC и специфике задач, которые требуют суперкомпьютерных вычислений. Сейчас в Санкт-Петербургском политехническом университете проходит приемосдаточные испытания самый мощный суперкомпьютер для промышленности, мощность которого 1 петафлопс. Для сравнения, - самый мощный в российской промышленности компьютер имеет мощность порядка 100-104 терафлопс.

Подчеркну, что нет ни одной технологии, которая побеждает всех во всех классах задач; у каждой технологии есть свои преимущества. Кто научится гибридизации этих технологий, научится смешивать их в нужной пропорции, применять в нужном случае нужную технологию, тот будет получать самые наукоемкие и оптимальные решения - best-in-class, - лучше которых сделать нельзя, если не менять материалы, конструкцию, условия эксплуатации и т.д. Таким образом, приходим к нашей М³-концепции “MultiDisciplinary & MultiScale / MultiStage & MultiTechnology (MultiCAD & MultiCAE)”.

Инновацияонная М³-концепция на основе ноу-хау. М³-метод комплексирования и применения мультидисциплинарных, многоуровневых и многотсадийных надотраслевых суперкомпьютерных технологий для решения сложных задач промышленности, энергетики, транспорта, строительства и связи.

Мы работаем со всеми типами материалов, - проводим многоуровневый (MultiScale) анализ на микро-, меза- и макроуровнях; решаем все механические задачи, электромагнитные, задачи тепломассообмена, акустики, аэрогидродинамики - от нормальных течений до гиперзвука (MultiDisciplinary). Ведем разработку конструкций и продуктов нового поколения на всех технологических этапах (например, литье металла – формовка / штамповка / ковка / … / гибка – сварка и так далее) - концепция MultiStage.

Неоднократно к нам обращались мировые лидеры по причине того, что не могли решить какую-либо задачу (использовалась лишь одна технология). Но если взять несколько технологий (MultiTechnology), на разных этапах доминирования тех или иных процессов применяя лучшую технологию, задача решается.

Ключевым термином для сегодняшней лекции является Simulation and Optimization Driven Design - дизайн, который движет вперед цифровое производство на основе передовых производственных технологий. Это совершенно другой дизайн, не традиционный, когда конструктор поработал, а потом сделали расчетную проверку в соответствии с ГОСТами и т.д. Если посмотреть по-другому, то фактически есть некий оператор моделирования и оптимизации в степени, т.е. все виды оптимизаций и работа одновременно со структурой, с конструкциями из разных отраслей, с технологиями (компьютерные технологии, производственные технологии и т.д.) и материалами.

Одна из важных идей - концепция конвергенции и синергии двух трендов. Один тренд - это компьютерные технологии, в частности технологии оптимизации и HPC (высокопроизводительных вычислений). Раньше мы делали оптимальную конструкцию, но нам говорили, что на станках ее изготовить невозможно; сейчас это стало возможным благодаря второму тренду - аддитивным технологиям, рынок которых растет в год более чем на 30%. Конвергенция и синергия этих двух трендов позволяет проектировать изделия нового поколения, получать решения, которые раньше были недоступны, которые лежат «за гранью интуиции генерального конструктора».

Бионический дизайн

Еще немного терминологии. «Бионика» - прикладная наука о применении в технике всех знаний, которые мы получили из живой природы. Это, фактически, соединение биологии и техники.

Когда мы говорим компьютерный инжиниринг, то это однозначно Computer-Aided Engeeniring. Под оптимизацией мы будем понимать разные виды оптимизаций: многопараметрическую, топологическую, топографическую, размеров (sizing), формы (shaping); многокритериальную, когда выдвигаются разные критерии, зачастую конфликтующие; мультидисциплинарную, особенно важную, например, для моделирования и оптимизации газодинамических процессов в тракте двигателя; оптимизацию микроструктуры, если мы говорим про метаматериалы или композиционные материалы или керамику; оптимизацию анизотропных и градиентных свойств и т.д.

Если говорить о традиционном подходе к бионическому дизайну, то кроме бионики, выделяется еще биомиметика и биомимикрия, но всех их объединяет заимствование принципов организации, свойств, функций, структур и материалов из живой природы и их применение в технических системах для создания сложных технических систем, киберфизических систем, биомехатроникоробототехнических комплексов и т.д. По анализу ученых Национального американского фонда, человечество обработало таким образом порядка 10% идей, представленных в природе. Наша задача состоит в том, чтобы получать решения новые, может быть даже не представленные в природе, но напоминающие чем-то то, к чему природа в тех или иных случаях пришла путем эволюции за тысячи и миллионы лет, и нужно строго для технических решений и best-in-class оптимизированных конструкций.

Примеры, когда идеи копируются: исследования клюва зимородка помогли создать высокоскоростной японский поезд Shinkansen; Mercedes скопировал рыбку, взял ее форму для одной из форм своего автомобиля.

И другие примеры: конструкции, которые, если на них посмотреть, никакая интуиция не подскажет, что можно сделать эту конструкцию такой с точки зрения жесткости, вибрации, прочности и т.д.

Перейдем к определению бионического дизайна. В свое время термин «3D-принтинг» «победил» термин «аддитивные технологии», - по запросам в Google первый намного популярнее. Для предложенного подхода к проектированию также используются разные термины: есть «тяжелые», - например, введенный компанией Autodesk «генеративный дизайн», т.е. генерируется структура в ходе проектирования, причем зачастую в автоматическом режиме, без участия конструктора, за счет алгоритмов. Терминов много, но самый краткий и понятный, когда все сразу понимают о чем идет речь, нам показался «бионический дизайн». Здесь представлены принципы функционирования живой природы. Но это если мы идем по пути миметики, т.е. будем копировать, будем закладывать эти принципы.

История биомиметики

Историю биомиметики начинает Леонардо Да Винчи. Мы можем найти примеры биомиметики везде, начиная с архитектуры и заканчивая, например, изобретением застежки-липучки в 1955 году, краски для самоочищающейся поверхности и т.д. Одним из классиков биомиметики является Антонио Гауди. Он представитель органической архитектуры, многое подчерпнул из природы и воплотил в архитектурных решениях. В архитектуре, начиная от Эйфелевой башни и заканчивая Национальным стадионом Пекина, Водным кубом Пекина - все они несут черты живой природы. Аэродинамическое сопротивление при полете птиц скопировано для железнодорожного транспорта и автомобилей. Мехатронные изделия демонстрирует FESTO, несмотря на то что занимается пневматикой, гидравликой, в основном на каждой выставке достижения именно в бионическом дизайне. Популярность биометики растет, - увеличивается количество научных статей, патентов, грантов и т.д.

Ссылаясь на открытые источники, можно увидеть, что потенциал биомиметики в первую очередь в строительстве, транспорте, электронике. Потенциал еще не разобрали традиционные отрасли: высокотехнологическое автомобилестроение, авиастроение и т.д. Нельзя обойти молчанием, когда говорим про бионический дизайн, структуру нашей кости, как они устроены, многоуровневую структуру костей. И нас чрезвычайно интересует, как инженеров, ультралегкие прочные ячеистые структуры. Например, клюв у дятла, которым дятел работает всю жизнь, но тем не менее он не ломается, кости крыльев птиц, и символ ультралегких конструкций – ячеистая структура, которая лежит на одуванчике.

Разберемся какие есть общие черты у этих конструкций. В первую очередь, нужно отметить регулярные/периодические ячеистые структуры, начиная от всем известных нам сот и заканчивая более сложными структурами. Рассматривая эти конструкции, мы должны держать в голове тот тренд, о котором я сказал, что если мы научимся оптимизировать и создавать такие конструкции, то мы понимаем, что мы должны уметь их напечатать. На слайде показаны внутренности решетчатых структур, дальше в 2013 году MIT заявила, что с помощью таких решетчатых структур с элементами интерлокинга соединения сделают мосты и большие структуры.

А теперь посмотрим на диаграмму всех материалов которые есть на Земле. Серый фон – туда мы попасть не можем, это нарушение всех законов физики, термодинамики и т.д. Мы хотим попасть в зону, где обеспечивается наибольшая легкость и жесткость.

Примерно такие же картины можно нарисовать для предела прочности и др. характеристик. Здесь как раз располагаются ячеистые структуры из металлов, углепластика и т.д. - регулярные структуры. Далее речь идет и микрорешетчатых структурах. Т.е. на каждом микро-, мезо-, макроуровне мы должны создавать свою оптимальную структуру и у нас должны быть инструменты, оборудование, компьютерные технологии, которые должны нам подсказать нам эти оптимальные структуры.

Мы помним и о многокритериальной оптимизации, где критерием является и стоимость создания.

Мы должны иметь возможность печатать, создавать такие структуры. Они уже создаются, и даже на наноуровне. Это лабораторные образцы, но теперь хочется научиться моделировать и печатать, а также поймать те тренды, о которых сегодня шла речь, поймать тренд изменения / измельчения порошка, мощности аддитивных установок с точки зрения их разрешающей способности и т.д., выйти на фронтир и дальше печатать самые лучшие конструкции, которые могут быть. Для этого нужно эффективно научиться проектировать оптимальные решетчатые структуры или структуры, которые я называю «за гранью интуиции», по той причине, что структура должна удолетворять требованиям жесткости, прочности, вибрации, энергопоглощения и т.д.

Теперь вернемся к истокам. Например, к топологической оптимизации.

Есть область проектирования, где мы хотим спроектировать мост, и хотим убрать лишний материал. Внизу представлено решение, которое нам даст программа оптимизации: синее - это пустота, цветное - это мост и опора. Древние греки и римляне интуитивно пришли к таким похожим конструкциям, не решая никаких задач с помощью оптимизации, суперкомпьютеров и т.д.

Говоря о современных технологиях (возьмем для примера Altair и Optistruct), важно отметить следующее: здесь большое поле для творчества, т.е. в зависимости от того, какую последовательность вы выбираете, с чего вы начинаете, - с сайзинга, с шейпинга, с топографической, топологической оптимизации, - вы будете получать разные результаты. На самом деле это большое искусство граничит с некой магией получить действительно лучшую конструкцию на Земле, которая на данный момент есть.

Говоря об ультралегких ячеистых структурах, которые мы видим в природе, нужно разделять - упорядоченные/регулярные и стохастические. Нас конечно интересуют стохастические с точки зрения непрерывной неоднородности, и там все дело будет только в том, какие же перемычки сможет напечатать принтер. Допустим, у нас есть порошковые композиции, аддитивные установки, и на выходе - финальная продукция. Если у нас установка слабая, а порошок мирового уровня, получается, что установка - слабое звено и мировой уровень недостижим. Если установка уникальная, но порошки имеют грануметрический состав, то порошки потянут уровень вниз. Если и то, и другое на мировом уровне, мы предполагаем, что и финальный продукт будет на уровне, однако за счет оптимизации можно получить конкурентное изделие при тех же порошках и установках. Мы исходим из того, что рано или поздно у всех будут одинаковые лучшие порошки и установки. Победит тот, кто выпустит более наукоемкое, интеллектоемкое, дешевое, оптимизирование изделие.

Airbus Defence and Space изготовила и провела испытания кронштейна для крепления телемеханической аппаратуры спутников.

Мне очень нравится заявление Lockheed Martin о планах через 5 лет печатать спутники со встроенной электроникой. Напечатать спутник, "начинку" и электронику – это значит ты должен печатать на трех разных порядках. Одна из известнейших задач фирмы RUAG - аддитивно напечатанные кронштейны для космической промышленности, размером около 1,5 метра. Один из наших партнеров, с которым мы работаем более 10 лет, - инжиниринговая компания EDAG - выпускает такие бионические концепты. Далее известные кронштейны, по которым General Electric устраивает конкурсы, кто же сделает лучше, и как я понимаю, в рамках ТехНет Национальной технологической инициативы НПО "Сатурн" собирается объявить похожий конкурс. Это не должно быть соревнованием "денежных мешков", - это соревнование интеллекта, желательно, чтобы в нем приняли участие сотни тысяч людей, как в зарубежных конкусах.

Мы соединяем бионический дизайн легких конструкций, конструирование, топологическую оптимизацию и аддитивные технологии и получаем новое качество, получаем те конструкции, о которых я говорил, которые можно печатать.

Далее – должен быть очень хороший виртуальный испытательный полигон. Мы разработали полигон CML Safety Suit™, в который входят цифровые модели целого семейства антропоморфных манекенов, - в чистом виде импортозамещение. Сейчас на рынке монополист - американская компания Humanetics, стоимость аренды виртуального манекена на полгода составляет порядка 30000 долларов. Чтобы сделать хороший автомобиль, нужно манекенов на 10 млн долларов, поэтому у нас хороших автомобилей практически нет, они все испытываются без манекенов и не удолетворяют всем требованиям пассивной безопасности.

Еще один важный момент: есть три уровня сложности конструкции. Первый уровень сложности, где будут побеждать по цене многофункциональные обрабатывающие центры, станки с ЧПУ. Второй уровень сложности, когда станки с ЧПУ становятся дороже, чем аддитивные технологии и тут уже можно работать с аддитивными технологиями, третий уровень – туда станки не добираются, поэтому с помощью бионического дизайна и аддитивных технологий нужно попадать в эту зону.

Обычно военно-промышленная коммисия спрашивает, почему печать получается дороже. Применение высоких технологий к изготовлению изделий из предыдущего поколения всегда будет дороже. Нужно создавать изделие, продукцию нового поколения, т.е. ту которую нельзя было сделать с помощью технологий предыдущих.

Часто говорят только о порошковых композициях и установках. Следуя концепции передовых стран, мы выделяем пять направлений.

Первое - это дизайн и, в первую очередь бионический дизайн, далее материалы - порошки, установки, стандарты, схемы сертификации и так далее, полный спектр всех физико-математических моделей, включая технологии.

Далее результат, который нам демонстрирует Airbus group – 64% снижения массы изделия, эта петля обходит все публикации, везде она представлена.

Далее Lockheed, который провозгласил, что через 5 лет он начнет печатать спутники со встроенной электроникой. Это более свежие результаты. Недавно Airbus с компанией Autodesk создали перегородки для новой модели самолета - легкие, но такие же по прочности и жесткости. 

Мы можем посмотреть лучшие достижения в космосе, в автомобилестроении, шельфовом и судовом оборудовании, - результаты где-то в 2-3-4-5 раз легче.

Пример промышленной задачи, имеющей прямое отношение к теме "бионический дизайн", к оптимизации и аддитивным технологиям.

Фактически у нас есть пространство оптимизациии - оригинальный кронштейн. Зеленым цветом обозначено пространство, которое зафиксировано узлами крепления, красным -  зона приложения нагрузок. Если они меняются, соответственно, и поиск решения начинается с другого приближения. Мы приходим к некоторой конструкции, и дальше делается некий цикл шагов, который позволяет получить оптимальное решение. Как я говорил, все зависит от того, в какой последовательности эти шаги применять, как "намешать" все эти возможные алгоритмы топологической оптимизации. Получаем серию оптимальных вариантов кронштейнов, из которых мы можем, как из «множества Парето» выбрать, даже в зависимости от стоимости изготовления, оптимальный вариант. Одна из ключевых проблем - это как перейти от оптимальной конструкции, которая шероховатая с погрешностями, к сглаженной. Это довольно серьезная процедура, которая является постпроцессингом перед аддитивным производством.

Результат: фактически получаем снижение массы на 70-75%, т.е. в данном случае это best-in-class оптимизированная конструкция.

Нередко предлагается и такая задача: «хорошо, вы получили лучшую конструкцию, а теперь давайте чуть похуже, но чтобы ее можно было сделать с помощью станков с ЧПУ». Мы отыгрываем назад, идем по спектру решений и получаем вариант для субтрактивного производства. Если оптимальная конструкция весит 0,238 кг, то тут получаем 0,312 кг (проигрыш в массе - 31%).