Optimale materialen voor snijgereedschappen van tunnelboormachines (TBM) zijn ontwikkeld in het onlangs voltooide driejarige project "Innovative polycrystalline diamond (PDC) drag bit for soft ground tunnelboormachines" door TalTech-materiaalwetenschappers van de tribologie- en recyclinggroep.

De geschiedenis van tunnelboormachines gaat terug tot 200 jaar geleden toen de eerste tunnels werden gebouwd. In het algemeen, de materialen van een TBM die in contact komen met schurende deeltjes kunnen worden onderverdeeld in metalen, keramiek en materialen die ze combineren, d.w.z. composieten. De composieten hebben doorgaans de hoogste slijtvastheid in agressieve omgevingen. "We probeerden de slijtvastheid van materialen van bewegende elementen van een TBM te verbeteren en de composieten waren de juiste keuze voor verdere ontwikkeling, " het hoofd van de onderzoeksgroep tribologie en recycling, senior onderzoeker van TalTech School of Engineering, Maksim Antonov legt uit.

De tests die tijdens de onderzoeksperiode werden uitgevoerd, waren gericht op het hoofddoel:de levensduur van TBM-snijgereedschappen verlengen om de noodzaak van vervanging tot een minimum te beperken. De gereedschappen gemaakt van materialen met een hogere slijtvastheid kunnen minder vaak worden vervangen.

"Vervanging van de slijtdelen van een TBM, d.w.z. snijgereedschappen of sleepbits, is een ingewikkeld, kostbare en gevaarlijke taak. Een TBM heeft gigantische afmetingen:de diameter kan oplopen tot 18 meter terwijl de lengte kan oplopen tot 130 meter en het werkgebied van zachte grond TBM's staat constant onder hoge druk. Dit maakt de toegang tot snijgereedschappen voor reparatie of vervanging zeer gevaarlijk en het moet zo min mogelijk worden gedaan, en het is beter als het door een robot wordt gedaan, " legt Antonov uit.

De meest voorkomende klus voor een TBM is tegenwoordig het aanleggen van metro's. Metro's worden meestal gebruikt in grote steden die meestal in de buurt van rivieren worden gebouwd. De grond rond rivieren bestaat uit afzettingsgesteenten, zand en klei. De oneffenheden van zo'n grond waar zand, klei en sedimentair gesteente wisselen elkaar af, maakt de constructie van tunnels ingewikkeld. Dergelijke agressieve omstandigheden brengen extra uitdagingen met zich mee en verhogen de vraag naar een betere slijtvastheid van TBM-snijgereedschappen.

De bovengenoemde tunneltechnologie kan in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt - het kan worden gebruikt voor de installatie van waterleidingen of elektriciteitskabels onder de grond door de sleufloze methode van het bouwen van grote tunnels of metro's. De sleufloze methode is vooral voordelig in stedelijke omstandigheden, omdat grond kan worden verwijderd en de benodigde infrastructuur vrijwel geheel zonder greppels kan worden aangelegd, waardoor schade aan gebouwen en wegen kan worden voorkomen. Bijvoorbeeld, dergelijke werken zijn de afgelopen jaren uitgevoerd in de buurt van het Romeinse Colosseum in Italië en er zijn belangrijke voorzorgsmaatregelen genomen om schade aan cultureel erfgoed te voorkomen.

Maksim Antonov:"We hebben veel inspiratie uit de natuur gehaald door de structuur van mollenvellen te analyseren, schubben van vissen, en de structuur van fossiele diatomeeën. In ons uiteindelijke ontwerp hebben we geprobeerd om diamant te implementeren, kubisch boornitride, wolfraam- of titaniumcarbidepoeder als versterking van onze composieten, we gebruikten 3D-printen of industriële diamantdraden."

Dankzij het gebruik van de selectieve lasersmelttechnologie van 3D-printen, we waren in staat om gradiëntcomposieten te verkrijgen (waarbij het benodigde materiaal in de gewenste hoeveelheid op bepaalde locaties kan worden toegevoegd) en materialen die tot 10 keer hogere vervorming hebben dan conventionele keramische materialen.

Als resultaat van de implementatie van de nieuwe technologie waren we in staat om specifieke gradiënt composietmaterialen te verkrijgen en het materiaal dat elastische diamant kan worden genoemd, die we prospectief in overweging nemen voor snijgereedschappen of andere kritieke onderdelen van een TBM. In aanvulling, we hebben bevestigd dat door de microtopografie van het contactoppervlak aan te passen (via 3D-printen) het mogelijk is om een ​​materiaal te verkrijgen met een ongelooflijk lage en stabiele wrijving. "Dergelijke materialen kunnen op verschillende gebieden worden toegepast, van het uitgraven van de grond tot NASA-ruimteapparatuur, " legt Maksim Antonov uit.