Optimala material för skärverktyg för tunnelborrmaskiner (TBM) utvecklades i det nyligen avslutade tre år långa projektet "Innovativ polykristallin diamant (PDC) släpbit för mjuka marktunnelborrmaskiner" av TalTech materialforskare från tribologi- och återvinningsgruppen.

Tunnelborrmaskinernas historia kan spåras tillbaka till 200 år sedan när de första tunnlarna byggdes. I allmänhet, materialen i en TBM som är i kontakt med slipande partiklar kan delas in i metaller, keramik och material som kombinerar dem, dvs kompositer. Kompositerna har vanligtvis den högsta slitstyrkan i aggressiva miljöer. "Vi försökte förbättra slitstyrkan hos material i rörliga element i en TBM och kompositerna var det rätta valet för vidare utveckling, "chefen för forskningsgruppen för tribologi och återvinning, senior forskare vid TalTech School of Engineering, Maksim Antonov förklarar.

Testerna som gjordes under forskningsperioden följde huvudmålet - att förlänga livslängden för TBM-skärverktyg för att minimera behovet av att byta ut dem. Verktygen gjorda av material med högre slitstyrka kan bytas ut mer sällan.

"Byte av slitdelar på en TBM, d.v.s. skärverktyg eller dragbitar, är en komplicerad, kostsamt och farligt uppdrag. En TBM har gigantiska dimensioner:dess diameter kan nå upp till 18 meter medan längden kan vara upp till 130 meter och arbetszonen för mjuka TBM:er är konstant under högt tryck. Detta gör tillgång till skärverktyg för reparation eller utbyte mycket farlig och det måste göras så sällan som möjligt, och det är bättre om det görs av en robot, " förklarar Antonov.

Det vanligaste jobbet för en TBM nuförtiden är byggandet av tunnelbanor. Tunnelbanor används vanligtvis i stora städer som tenderar att byggas i närheten av floder. Marken runt floder är sammansatt av sedimentära bergarter, sand och lera. Ojämnheten i en sådan mark där sand, lera och sedimentära bergskikt omväxlande gör byggandet av tunnlar komplicerat. Sådana aggressiva förhållanden innebär ytterligare utmaningar och ökar efterfrågan på bättre slitstyrka hos TBM-skärverktyg.

Den tidigare nämnda tunneltekniken kan användas i ett brett spektrum av applikationer - den kan användas för installation av vattenrör eller elkablar under marken genom den trenchless metoden att bygga stora tunnlar eller tunnelbanor. Den trenchless metoden är särskilt fördelaktig i urbana förhållanden, eftersom marken kan tas bort och den nödvändiga infrastrukturen kan installeras nästan helt utan diken, gör det möjligt att undvika skador på byggnader och vägar. Till exempel, sådana arbeten har utförts under de senaste åren nära det romerska Colosseum i Italien och betydande försiktighetsåtgärder har vidtagits för att undvika skador på kulturarv.

Maksim Antonov:"Vi fick mycket inspiration från naturen genom att analysera strukturen hos mullvadsskinn, fiskfjäll, och strukturen hos fossila kiselalger. I vår slutliga design försökte vi implementera diamant, kubisk bornitrid, volfram eller titankarbidpulver som förstärkning av våra kompositer, vi använde 3-D-utskrift eller industriella diamanttrådar."

Tack vare användningen av den selektiva lasersmältningstekniken för 3D-utskrift, vi kunde erhålla gradientkompositer (där det erforderliga materialet i önskad mängd kan tillsättas på vissa platser) och material som har upp till 10 gånger högre deformation än konventionella keramiska material.

Som ett resultat av implementeringen av den nya tekniken kunde vi erhålla specifika gradientkompositmaterial och det material som kan kallas elastisk diamant, som vi överväger för skärande verktyg eller andra kritiska delar av en TBM. Dessutom, vi bekräftade att genom att justera mikrotopografin av kontaktytan (genom 3-D-utskrift) är det möjligt att erhålla ett material med otroligt låg och stabil friktion. "Sådana material kan appliceras i olika områden från utgrävning av marken till NASAs rymdutrustning, " förklarar Maksim Antonov.