Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN

Czym jest druk 3D? Kiedy powstał? Jakich materiałów można używać do drukowania? Co można drukować? Po co drukować? Jakie zastosowanie mają wydruki 3D w akustyce? Gdzie kryją się minusy technologii przyrostowych? Czy zawsze opłaca się drukować? – te i inne pytania będą motywem przewodnim naszej lekcji, a odpowiedzi na nie poszukamy wspólnie w czasie dyskusji oraz prostych doświadczeń.

Lekcję rozpoczniemy krótkim wykładem, w czasie którego omówimy podstawy związane z technologiami wytwarzania przyrostowego, czyli tzw. drukiem 3D, ze szczególnym uwzględnieniem metod stereolitografii (wykorzystującej ciekłą żywicę) oraz selektywnego laserowego przetapiania proszków metali. Nie zabraknie dyskusji oraz burzy mózgów, bowiem wspólnie dobierzemy najodpowiedniejsze metody wytwarzania zadanych elementów.

Kolejna część spotkania to zapoznanie z urządzeniem do wytwarzania metodą stereolitografii oraz zwiedzanie laboratorium, w którym znajduje się maszyna do selektywnego laserowego przetapiania proszków metali.

Następnie przejdziemy do pokazu zastosowań akustycznych wydrukowanych próbek. Wspólnie sprawdzimy, w jakim stopniu wykonane wydruki 3D pochłaniają lub izolują dźwięk i jak to można wykorzystać. Na podstawie przygotowanych wykresów omówimy właściwości akustyczne badanych materiałów.

Spodziewanym efektem spotkania jest poszerzenie wiedzy oraz poszerzenie wyobraźni dotyczących metod wytwarzania materiałów i ich zastosowań.

Uczniowie dowiedzą się czym są ultradźwięki. Zrozumieją dlaczego wykorzystując zjawisko echa można sprawdzić jak wygląda nasze ciało w środku. Uczestnicy będą mieli możliwość obsługiwać standardowe ultrasonografy, takie jak widzą w gabinetach medycznych. Pozwoli im to zrozumieć, że badania ultrasonograficzne są przyjazne również dla małych pacjentów. Uczestnicy spotkania wcielą się również w rolę diagnostów i przeprowadzą badania ultrasonograficzne specjalnych „pacjentów”. Sami odpowiedzą na pytanie dlaczego źle się oni czują.

Materiały funkcjonalne, znane jako również materiały inteligentne, będą przedmiotem lekcji festiwalowej. Tymi terminami określa się materiały, które zmieniają swoje cechy, właściwości lub kształt pod wpływem zmian czynników zewnętrznych. W zależności od rodzaju materiału, czynnikiem stymulującym taką reakcję może być zmiana temperatury, pojawienie się lub zmiana pola magnetycznego lub elektrycznego. Z kolei wymuszenie deformacji materiału może powodować efekty odwrotne, np. pojawienie się pola magnetycznego lub elektrycznego. Dzieje się tak, dlatego że w tych materiałach zachodzą wewnętrzne zjawiska, których przebieg można kontrolować. Daje to możliwość ich zastosowania w wielu dziedzinach techniki. Choć część z tych materiałów jest znana od przeszło stu lat, to ciągle mają wysoki potencjał aplikacyjny i stale trwają prace nad ich udoskonalaniem. Do najbardziej powszechnych materiałów inteligentnych należą m.in. materiały piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, ciecze magnetoreologiczne i stopy z pamięcią kształtu.

Lekcja będzie podzielona na 2 części. Pierwsza będzie miała charakter krótkiego wprowadzenia w świat materiałów funkcjonalnych wraz z omówieniem podstaw ich działania. W drugiej będą przedstawione proste układy eksperymentalne z wykorzystaniem tych materiałów, w których będą wywoływane, obserwowane i rejestrowane oddziaływania na czynniki zewnętrzne. Doświadczenia będą dotyczyć materiałów piezoelektrycznych, cieczy magnetoreologicznej i stopów z pamięcią kształtu. Uczniowie będą mogli samodzielnie kontrolować parametry wpływające na zachowanie się materiałów inteligentnych oraz obserwować ich rezultaty.

Przy opisie rozwoju tkanki ważne zadanie polega na wyjaśnieniu zjawiska wzrostu: jak to się dzieje, że dołączanie do struktury od wewnątrz nie niszczy tej struktury. Wzrost kryształu zachodzi poprzez dyslokacyjną przebudowę sieci filotaktycznej: jeden nowo powstały zawiązek wywołuje jedną zmianę kontaktów (flip) w sieci. Jest to najbardziej łagodny i harmonijny przykład wzrostu od wewnątrz.

Omówimy mechanizm wzrostu pędu rośliny.  Pokażemy,  ze wzrost odbywa się przez stałą przebudowę struktury tkanki. W wyniku tkanka wzrostu składa się z kołowych pasm zawiązków sześciokątnych, poprzedzielanych pierścieniami defektów pięcio- i siedmiokątnych.

Jak wzmocnić kompozyt?

W ogólnym sensie, cały świat jest zbudowany jest z kompozytów o wielu skalach.

Jądra atomowe zbudowane są z nukleonów, które też składają się z kwarków. Atomy, zbudowane z nukleonów i elektronów, tworzą cząsteczki budujące aminokwasy. Z aminokwasów zbudowane są białka tworzące ciała istot żywych - również nas samych. Organizmy żywe składają się z tkanek, które zbudowane są z komórek. Narządy ciała - zbudowane z różnych tkanek - łączą się w układy narządów, jak oddechowy czy trawienny. Z kolei do znakomitych naturalnych tworzyw kompozytowych należą kości i drewno.

W świecie techniki tworzone są różne kompozyty. Obwody elektryczne drukowane są na nieprzewodzącej matrycy, a przewody elektryczne pokrywane są materiałem izolacyjnym. Konstruktorzy łączą za sobą różne materiały w taki sposób, aby wspólnie posiadały pożądane właściwości i były coraz bardziej funkcjonalne. Znakomitym technicznym kompozytem jest beton. Wynaleziony w czasach starożytnych i oferujący niezwykłe możliwości budowlane, jest wciąż nie do zastąpienia. Dziś jednak musi być wzmacniany…