В 2021 году ЮУрГУ стал участником проекта «Приоритет-2030». Для университета это открыло новые возможности развития интеллектуального производства и возвращения интереса молодых к профессии инженера.
Для того, чтобы будущие кулибины познакомились с инженерной мыслью не только в теории, познали удовольствие от создания чего-то физического и могли создавать прототипы механизмов собственными руками, в рамках «Приоритет-2030» в вузе были созданы три фаблаборатории. По сути, это три производства в миниатюре.
Об истории создания лаборатории «Прототипирование и 3D-моделирование», о лучших проектах студентов: от умных теплиц до беспилотников и масштабных моделей металлургического оборудования, а также о победах в кейс-чемпионатах по металлургии и о том, почему восстание машин нам все же пока не грозит, рассказывает старший преподаватель кафедры «Процессы и машины обработки металлов давлением» Олег Сиверин.
Из истории проекта
– Кафедра «Процессы и машины обработки металлов давлением» более сорока лет выпускает специалистов по проектированию, модернизации и обслуживанию металлургического и машиностроительного оборудования, которым компетенция визуализации своих разработок была бы очень полезна. Поэтому ещё восемь лет назад, когда технология 3D-печати только-только появилась на рынке, мы оборудовали один из своих классов первыми 3D-принтерами. Лаборатория оказалась очень востребованной в учебном процессе, и когда кафедра выиграла грант на совершенствование образовательной программы, мы потратили его на более серьёзное оборудование. Университет это начинание поддержал, выделил площадку, помог сделать ремонт и изготовить мебель. Кстати мебель в лаборатории (специальные столы и не только) спроектировали сами студенты.
Что у нас есть? У нас есть станки, у нас есть помещение, где можно поработать и помоделировать. Но самое главное – у нас есть наставники, относящиеся к своему делу неформально, которые поощряют инициативность и любознательность студентов, их желание творить. «Хочешь? Давай сделаем! Не уверен, что заработает? Давай попробуем. Не хочешь? Давай все равно попробуем!».
В нашей лаборатории занимаются студенты со всего Политехнического института. Так в этом году проекты делали ребята с кафедр «Процессы и машины ОМД», «Электропривод, мехатроника и электромеханика», «Технология автоматизированного машиностроения» и даже с кафедры «Летательные аппараты».
Концепция, задачи, уникальность
– В чем идея фабрики-лаборатории?
– Основная концепция нашей лаборатории – помочь нашим студентам реализовать конструкторские, инженерные, предпринимательские мысли в готовом изделии.
Это со стороны работа инженера кажется однообразной и несложной. Посидел у компьютера, распечатал чертёж, и вот уже в цехе стоит новая установка. В реальности для того, чтобы любая, даже самая классная идея превратилась в изделие, для того, чтобы понять, в каком направлении идти дальше – нужно набить сто шишек, и только после 101 шишки получится что-то стоящее. Только когда ребята начинают это понимать, они приближаются к тому, чтобы стать настоящими инженерами.
Забавно, что сначала студенту кажется, что все просто. Кажется, что сел, нарисовал, скрутил, кнопку нажал, и всё закрутится-завертится… и пошел успех и слава. Но после первой, второй, третьей ошибки они учатся относиться к работе ответственней. И все больше времени проводят не в телефоне, а у станка, занимаясь полезным делом. Объективно говоря, инженерами не рождаются. Инженерами становятся.
– Разбудить в человеке инженера – одна из наших главных задач!
– Показательна история Егора Алексеева. Когда он пришел в нашу лабораторию еще школьником в рамках проекта «Инженерная школа», созданного руководителем Департамента по стратегической работе с абитуриентами Юлией Олеговной Болотиной, он колебался между юриспруденцией и историей. Но попробовал поработать в нашей лаборатории и увлекся! Начинал здесь с макета прокатного стана, а с первого курса работал над задачами разных производственных предприятий, подавал на конкурс «Умник» свой проект, завязанный на алюминиевые энергосберегающие панели для капремонта домов в Челябинске.
В этом году он работал над задачками от Кузнечно-прессового завода, а в прошлом помогал ребятам-школьникам делать инновационный захват на электромагнитах для «Сириуса». Для Акселератора технологических инициатив команда Егора делала систему управления промышленными теплицами. Этот проект тоже выстрелил. И везде Егор использовал возможности Фаблаба. В лаборатории он работает как наставник – помощник, специалист, который не только свои проекты реализует, но и в рамках технологических инициатив помогает молодым ребятам начинать свои проекты.
Егор сейчас оканчивает бакалавриат. У него есть все шансы поступить в магистратуру Москвы или Питера. Мы его удерживать не можем, но наша задача – доказать, что с нами тоже здорово работать, что возможности наших студентов нужны Челябинску! И таких ребят у нас много! Каждый заслуживает отдельного рассказа.
Как организован процесс обучения в Фаблабе?
– Будем реалистами. Нужно понимать, что очереди из ребят, которые хотят что-то сделать, что-то изобрести и в чем-то участвовать – не стоит. С каждым нужно адресно работать, выстраивать свой путь обучения. Конечно, есть ребята, кто приходит со своей концепцией. Но, как правило, работа начинается так: «У нас есть вот такая идея… давай попробуем вместе ее реализовать, ты делаешь, а мы тебе помогаем…» И когда ребята пробуют что-то создать своими руками, и у них это получается, это вызывает восторг, и в дальнейшем высокие результаты в плане учебы и самореализации.
3D-печать сегодня – явление распространённое, но по большей части это банки самых популярных моделей, сделанных за рубежом – фактически кастомные игрушки или приспособления. В нашей лаборатории задача другая. Даже если ты подглядел концепцию, ты все равно создаешь что-то свое: проектируешь, изготавливаешь, рассчитываешь, опробуешь различные варианты.
Каждый год мы придумываем что-то новое. В этом году, например, мы делали групповые проекты. Это дешевле, и при этом студенты учатся работать в команде.
За те годы, что существует лаборатория, мы, как и весь университет, растем и совершенствуемся. Мы нацелены на создание автоматизированных, роботизированных механизмов; механизмов, оснащенных датчиками, управляемых алгоритмами, а в этом году активно начали использовать возможности нейросетей и искусственного интеллекта. И такое сейчас возможно! Понятно, что это существенно дороже, но и результат интереснее.
В чем отличие вашей лаборатории от двух других Фаблабов университета?
У нас станки не самые крутые. Но зато можно изготовить изделия относительно дешево, быстро и практично. Лаборатория оснащена 3D-принтерами, фрезерным станком с ЧПУ, прессом и лазером. Но всё это – лишь средства. Главное – это сами студенты, их способности, талант и желание работать, что-то узнавать. А самое ценное – время, которое каждый готов потратить, чтобы создать что-то стоящее.
У всех Фаблабов свои задачи. У Фаблаб «Компьютерное моделирование и изготовление деталей машиностроения» есть возможности делать изделия в металле. У Фаблаба «Электроника» основная задача – изготовление прототипов плат управления и электронных изделий, «компьютерной начинки» оборудования.
Чемпионаты, конкурсы, форсайты: привычка побеждать
Какие достижения студентов лаборатории вы считаете самыми важными?
К безусловным достижениям относятся результаты наших ребят на Акселераторе (Акселерационная программа ЮУрГУ). Это технология поддержания микроклимата в промышленных теплицах. Такую теплицу ребята сделали в формате FPV. Применив знания в механике, они предложили и рассчитали систему разнесённых приводов, связанных алгоритмом управления. Если влажно, слишком шумно, пыльно: в зависимости от условий, окна умной теплицы сами открываются или закрываются. В проекте были задействованы студенты Политеха и ВШЭКН. В Акселераторе они завоевали третье место. Кроме того, в 2024 году первое место заняли наши металлурги ЮУрГУ с проектом «Технологии обогащения шлаков», концепцию которого они также отрабатывали в лаборатории.
В мае 2024 команда студентов под руководством зам. директора ПИ по внеучебной работе Ивана Ильина ездила на финал Всероссийского чемпионата по технологической стратегии MetalCup в Череповец. Металлургический чемпионат – интеллектуальное состязание, в ходе которого участники предлагают идею и думают, как реализовать ее на реальном производстве. Возможность поездки ребята заработали, представив прототип системы уплотнения холодной твердеющей смеси для создания крупногабаритных отливок для промышленнной группы «КОНАР». Они как студенты непрофильной специальности (не литейщики и не металлурги, а механики-конструкторы) подошли к вопросу творчески. Как специалисты по оборудованию, предложили вариант, в котором технология будет реализована более эффективно. И посчитали, что для того чтобы модель заработала, помимо расчетов и модели на компьютере, нужно сделать ее прототип вживую. Условно говоря, в рамках технологической инициативы наши ребята продали свою идею внешнему инвестору на своем уровне уже на втором курсе.
Ещё одна задача нашей лаборатории: развить так называемые мягкие скиллы. Это работа в команде, способность организовывать своё время, навык не бросать начатое дело на полпути.
Пример отличной командной работы: наша недавняя поездка на Международный инженерный чемпионат «CASE-IN» в Москву. В финале, проходившем с 28 по 30 мая в Москве, в итоговой защите проектов приняли участие более 300 студентов (от Донецка до Комсомольска-на-Амуре), а также 150 представителей из стран СНГ. Команда студентов Политеха «660 по С°» стала призёром студенческой лиги по направлению «Металлургия».
Нашим ребятам достался непростой кейс от ОК РУСАЛ. Нужно было решить задачу, связанную с электролизом алюминия, при этом соблюдая все требования концепции бережливого производства. Чем хороши кейс-чемпионаты? Спецификой отработки командной работы. Все четыре участника команды, помимо основного направления обучения, владеют еще дополнительными профессиональными навыками. Данил Юсупов – отличный специалист по автоматизации, Екатерина Беляева – материаловед и аналитик, Далер Фильченко разбирается в промышленном дизайне, а Егор Алексеев занимается не только инжинирингом технологического оборудования, но и расчетом целесообразности внедрения технологических новшеств.
ЮУрГУ по праву считается одним из лучших вузов в стране по подготовке инженеров по технологии материалов. Мы побеждаем на чемпионатах по технологической стратегии на протяжении нескольких лет!
С талантливыми ребятами, победителями чемпионатов, особенно приятно работать. Победители чемпионатов приходят к нам в магистратуру. У них горят глаза, у них есть цель. Поэтому мы готовы работать с ними, тратить пластик, время, ресурсы. Когда видишь отдачу, хочется работать на результат.
Мы работаем не только со студентами. Для будущих студентов на площадке лаборатории проходит МеталКвест, а также профориентационные мероприятия, ФорсайтСессии и проект «Каникулы с ЮУрГУ»
Отдельно стоит отметить, что на площадке Фаблаба работает команда студентов аэрокосмического факультета «Вектор». У ребят также есть весомые достижения. Команда разработала проект летательного аппарата «Вектор-1». Презентация концепции аппарата состоялась на финале конкурса студенческих проектов «СКАТ». Основное задание конкурса — за 3 месяца представить беспилотный летательный аппарат по техническому заданию, который сможет в автоматическом режиме доставить груз и выполнять планирование с отключенным двигателем. Ребята занимались проектированием конструкции аппарата и работой над программным обеспечением. Кроме того, они произвели пробный запуск аппарата.
Также один из завсегдатаев нашего Фаблаба – председатель студсовета Политеха Никита Охрименко. Ребята делают раздатку, значки для абитуриентов и для приемной кампании, мерч с символикой университета для профильных смен в «Олимпе».
Отдельно следует рассказать про работу на перспективу. За время работы Фаблаба мы отработали связку: «абитуриенты + студенты-наставники», в которой мы делаем различные проекты. И по итогам этого года мы вновь оказались самыми крутыми в регионе!
Уже сейчас наши проекты этого года на территории федерального значения «Сириус» защищают пять ребят из IT-лицея «Привилегия» и 11 лицея.
Всего в этом году на самый главный инженерный конкурс страны для школьников «Сириус. Большие вызовы» мы подготовили 14 проектов! 14 проектов – это не только прототипы и исследования, это 10 студентов–наставников разных направлений, это 35 школьников – их время которые они провели с пользой в Фаблабе, и их желание победить. Качество проектов, подготовленность участников и опыт наших наставников-студентов дали результат, которым университет может гордиться – почти половина победителей регионального финала – наши ребята!
Лучшие проекты: дерево идей
Какие проекты и инициативы оказались прорывными для лаборатории в этом году?
В этом году наш университет, благодаря инициативе проректора по образовательной деятельности Марины Владимировны Потаповой, присоединился к инициативе Губернаторских инженерных классов. В 2024 году в эту работу вовлечено 20 школьников и 5 студентов-наставников. Нам очень хотелось посмотреть на эту задачу свежим взглядом и как-то к себе перетянуть лучших школьников Челябинска. И эту работу мы решили делать с нашим давним партнёром – ПАО «ЧКПЗ».
Первый проект – создание работоспособного макета участка прессования для Кузнечно-прессового завода для обучения новых сотрудников. Ребята разобрались с технологией, побывали на заводе, полностью переработали чертежи и изготовили целый комплекс виртуальных и реальных масштабных моделей с высокой степенью соответствия реальному производству.
Оборудование высотой более 8 метров подпирает потолок цеха, его нужно пропорционально уменьшить, точно перенеся все его характеристики в работоспособный макет, используя при этом подходящие стандартные изделия, отработав систему управления с использованием контроллеров, применяемых в любительской робототехнике. Это и есть прототипирование. Макет необходим для того, чтобы научиться использовать и обслуживать пресс в учебном классе, не останавливая рабочий процесс. А мы собираемся использовать полученный макет и при обучении студентов.
Кривошипно-шатунный пресс Когда ребята приступили к проекту и побывали на заводе – они решили: «А почему бы нам на этом макете не отработать технологию работы кузнеца, но уже с помощью робота-манипулятора?». Изготовили манипулятор, и теперь его программируют, считывая и оптимизируя движения кузнеца. Это современное поколение с современными подходами к жизни, они очень сильно отличаются от детей, что были 10, 20 назад. Создав макет из пластика по 3D-модели, они решили воспользоваться современными возможностями и, используя платформу для разработки 3D-игр и свои файлы, сделали цифровой двойник робота-манипулятора, по сути дела, создав компьютерную игру – симулятор завода. В глазах обывателя происходит настоящее чудо! А сейчас ребята осваивают технологию голографического проектора, и на наших глазах оживает и крутится голограмма кривошипно-шатунного пресса. И все это сделано современными школьниками – жителями Челябинска! Наши ребята не играют в игры, они их создают!
И это не последняя идея ребят для Кузнечно-прессового завода, проект всё больше и больше обрастает новыми реализациями. Ребята сконструировали объемный инновационный захват, использующий принцип Лассо. Механизм может обхватить заготовку любой формы, включая горячую. Мы говорим о реальном промышленном производстве, и о заготовке, температура которой около 1000 градусов. Заготовку можно перемещать, переворачивать. Механизм максимально эффективно обхватывает изделие, при этом не деформируя его.
Такое поступательное развитие я бы обозначил как лесенка проектов 2024 года. Студенты сначала сделали пресс, потом цифровой двойник пресса. Затем появилась концепция пресса с голограммой, робот портального типа. Ещё одна команда программирует робот-манипулятор, копирующий движения кузнеца. Но у стандартного робота-манипулятора захват – две точки. Почему бы не придумать новую концепцию сжатия? Над этим студенты работают сейчас, они часами трудятся в лаборатории, и результат планируют представить на конкурсах, в том числе, и международного уровня.
Второй проект: Определение дефектов на штампованных заготовках при помощи искусственного интеллекта
Взгляните на эту реальную стальную заготовку! Внешне она идеальна, хоть сейчас ставь ее в машину. Но на самом деле она дефектная. Таких заготовок изготавливается шесть в минуту и на производстве не всегда понятно: есть там дефект или нет… Часть заготовок бракуется отделом технического контроля. Но так как объемы производства очень большие, отследить весь брак проблематично. Наши ребята разработали стенд для анализа качества изделий при помощи искусственного интеллекта.
И опять же, пока они это делали, параллельно отработали еще один проект. При помощи этого же стенда, но уже с использованием другой программы, система компьютерного зрения, разработанная нашими студентами, может оценить габариты изделия и с помощью математических моделей предсказать: стоит ли вообще эту заготовку штамповать или нет – хватит ли в ней металла. Таким образом, мы добились Умной автоматизации процесса.
Пока заготовки идут по конвейеру или лежат в корзине, брак обнаружить очень сложно. Но если есть контроллер, камера, компьютер, облачная система для вычислений и монитор, эта система позволяет отсеять брак. Человеку не обязательно рассматривать каждую заготовку и крутить ее. Система дополненной реальности «подсвечивает» 100% брака. Это очень хороший результат!
Но все же не думаю, что искусственный интеллект нас победит. В любом случае нужен будет кто-то, кто это все придумывает. А наша задача, задача университета, в том, чтобы это все эти разработки создавали именно наши студенты!
Таким образом, мы не просто сделали один проект по одному заданию, а творчески развили его, получая все новые полезные разработки. Так за год из одной идеи – условного зернышка – у нас выросло настоящее дерево идей!
Гордость лаборатории: лучшие студенты
Расскажите о самых талантливых студентах?
В феврале 2024 года в Челябинск приезжал В.В. Путин. Во встрече с молодыми инженерными кадрами Челябинска принимали участие несколько студентов ЮУрГУ, двое из них – из нашей лаборатории. Это Илья Фарукшин и Иван Барышев. Иван Барышев работал как наставник со студентами по проектам беспилотных самодвижущихся механизмов, работающих в городских условиях, и параллельно, в рамках своей инновационной работы по гранту разрабатывал установку для определения коротких замыканий при электролизе цветных металлов. Забавно, что через несколько часов после встречи с президентом ребята уже были в университете – подходило время для защиты проекта и нужно было работать.
Очень крутой молодой инженер Яся Шабурова второй год побеждает в конкурсах всероссийского значения. 13 февраля 2024 года она вошла в список финалистов конкурса «Оперативный спутниковый мониторинг» и приняла участие в суперфинале всероссийской программы «Дежурный по планете», в рамках Космической смены, проходившей с 3 по 17 апреля в республике Татарстан. Она принимала участие в разработке проектов в области космической инженерии и применении космических данных. В 2023 году Яся стала участницей проектной смены в «Сириусе» в рамках конкурса «Большие вызовы». В конкурсе Яся принимала участие с проектом наземного зооморфного беспилотника. Проект создан в помощь сотрудникам заповедников при изучении популяций и состояния животных.
Наш выпускник Сергей Зараменских в свое время в лаборатории сделал прототип установки для переработки пластиковых отходов. В 2021 году он с экопроектом стал победителем в федеральной программе «УМНИК» и получил грант на продвижение своего изобретения. Студент сконструировал и изготовил образец технологической линии рециклинга пластиковых отходов для получения сырья для 3D-печати методом послойной наплавки. Пластиковый мусор, который не разлагается десятилетиями, теперь не будет находиться в окружающей среде, а производство получит еще один вариант сырья. Свою разработку он довел до металла, и в 2023 году ему как лучшему студенту-машиностроителю диплом вручал лично А.Л. Текслер. Сейчас Сергей – конструктор в УчтехПрофи, занимается разработкой и изготовлением учебного промышленного оборудования.
Одногруппница Сергея Мария Носкова сейчас работает инженером на Кузнечно-прессовом заводе. Прототип для своего диплома она делала в нашей лаборатории. Маша предложила новую концепцию установки для испытаний на прочность труб газопроводов. Она не просто спроектировала эту установку, а ещё и изготовила и опробовала, используя современные технологии. На экзамене она защищала уже прототип, не только с помощью чертежей или картинок, но и демонстрируя принцип работы установки с помощью макета.
Маша – уникальный специалист! ЮУрГУ удалось подготовить очень крутую девушку-инженера, которая может работать не только головой, но и руками, и писать программы на компьютере. Регион это оценил достойным, высокооплачиваемым местом работы. Я считаю, что это тоже заслуга университета и конкретно нашей лаборатории и кафедры ПиМОМД. И мы тут работаем именно для этого, для того, чтобы готовить самых лучших специалистов для нашей самой лучшей в мире страны! Все наши ребята разные и все они уникальные! Кто-то хороший конструктор, кто-то хороший механик, кто-то хороший автоматчик, а кто-то – начинающий предприниматель, который стремится реализовать свою технологическую инициативу. И они приходят в нашу лабораторию, открывают новые грани своей личности и таланта и даже меняют специальность.
Основная задача моя, нашей лаборатории и университета – понять, что у студента получается творить и при этом «продавать» свои идеи, и поддержать его в этом. Если у него получится, значит, он и дальше будет этим заниматься, продолжит развиваться как инженер.
А секрет нашего Фаблаба – в подходе к обучению. Свобода творчества, цифровизация процессов обучения, максимальное участие во внеаудиторных активностях, таких как акселератор, хакатоны и кейс-чемпионаты. Наши лучшие студенты (а я считаю, что я работаю с лучшими студентами Челябинска), вовлекаясь во все эти процессы с первого курса, ярко себя проявляют и по окончании университета успешно работают на инженерных должностях на передовых производствах в регионе и стране.