Eureka! DGP

Eureka! DGP

źródło: Dziennik Gazeta Prawna

Trwa szósta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 17 maja w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 54 prac nadesłanych przez uczelnie oraz instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi 22 maja podczas kongresu Impact’19 w Krakowie. Nagrodami są 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora.

Każdy z nas ostrzył nóż albo to widział. Ta nieskomplikowana czynność to tak naprawdę walka dwóch twardzieli. Pierwszy to ostrze, które musi być twarde, bo inaczej szybko polegnie podczas kulinarnych potyczek z czerstwym chlebem i mocno wysuszoną krakowską. Drugim jest ostrzałka – jeśli ma sobie dać radę z ostrzem, musi być znacznie bardziej wytrzymała od niego.

Tak jest z każdym narzędziem, które ma służyć do obróbki innych rzeczy – musi być od nich twardsze. By ten efekt osiągnąć niewielkim kosztem, można sięgnąć po najtwardszy minerał na Ziemi: diamenty. – A konkretnie po ziarna diamentowe o mikroskopijnych rozmiarach porównywalnych z ludzkim włosem. Mogą być pochodzenia naturalnego lub syntetycznego – tłumaczy dr inż. Elżbieta Bączek z Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (IZTW) z Krakowa. Takie diamenciki dodane do stopu – na przykład brązu, czyli miedzi z cyną – polepszają jego właściwości ścierne. Domieszka musi być jednak spora – najtwardsza odmiana węgla powinna stanowić w nim około jednej czwartej objętości. W ten sposób powstaje, jak go się profesjonalnie nazywa, kompozyt metaliczno-diamentowy.

Jak połączyć metal z diamentem? Ziarna diamentowe już mamy, teraz będziemy potrzebować sproszkowanego metalu. Taką mieszkankę należy następnie poddać oddziaływaniu wysokiej temperatury oraz ciśnieniu. – Najczęściej wykorzystuje się do tego metodę prasowania na gorąco. Umieszczamy ziarna ze sproszkowanym metalem w grafitowej formie, a następnie ściskami je za pomocą stempli prasujących podłączonych do układu hydraulicznego. Jednocześnie materiał jest ogrzewany za pomocą zewnętrznego źródła ciepła – tłumaczy dr inż. Piotr Putyra z IZTW.

Naukowcy nie byli jednak zadowoleni z efektów tego procesu i postanowili udoskonalić metodę wytwarzania kompozytu. Ostatecznie wybór padł na alternatywną metodę, w której źródłem ciepła nie jest zewnętrzny grzejnik, ale prąd elektryczny przepływający przez materiał, który chcemy otrzymać. Technologia ta nazywa się spiekaniem prądem impulsowym lub iskrą elektryczną (SPS, Spark Plasma Sintering).

Efekty przeszły najśmielsze oczekiwania. – Przede wszystkim ta metoda pozwala znacząco skrócić proces wytwarzania oraz zaoszczędzić energię elektryczną. W przypadku spiekania prądem impulsowym zapotrzebowanie na nią jest od 20 do 30 proc. mniejsze niż w przypadku prasowania na gorąco – tłumaczy dr Putyra z IZTW.

Co więcej, udało się również polepszyć właściwości samego kompozytu. Jak to możliwe? – Podczas spiekania dochodzi do oczyszczenia powierzchni proszku metalicznego z warstwy tlenków oraz połączenia pojedynczych cząstek proszku. Do usunięcia tlenków dochodzi ze względu na bardzo wysoką temperaturę w miejscach wyładowań elektrycznych pomiędzy cząsteczkami proszków – tłumaczy prof. Barbara Staniewicz-Brudnik z IZTW.

Spiekanie iskrą ma również tę zaletę, że pozwala obniżyć temperaturę, w jakiej przebiega proces. – Dzięki przepływowi prądu elektrycznego, który zresztą nie płynie cały czas, tylko impulsami, temperatura punktowo osiąga znacznie wyższe wartości. To pozwala wcześniej rozpocząć reakcję spiekania – tłumaczy dr Bączek. Redukcja temperatury jest znaczna: od 200 do 500 stopni Celsjusza w stosunku do temperatury spiekania w procesie prasowania na gorąco, gdzie wynosi ona 750 stopni.

Krakowscy naukowcy o lepszej jakości swojego produktu przekonali się nie tylko w laboratorium, ale mieli również okazję przetestować ją w warunkach bojowych. Wytworzony za pomocą spiekania prądem impulsowym kompozyt został przetestowany w firmie Wallram Cantool Europe, która wykorzystała wynalazek IZTW do obróbki własnych, precyzyjnych narzędzi z zaawansowanej ceramiki.