Naturinspirerede materialer kan bruges i applikationer lige fra tunneling til rum

Optimale materialer til skærende værktøjer til tunnelboremaskiner (TBM) blev udviklet i det nyligt afsluttede tre år lange projekt "Innovativ polykrystallinsk diamant (PDC) trækbit til bløde tunnelboremaskiner" af TalTech materialeforskere fra tribologi- og genbrugsgruppen.

Historien om tunnelboremaskiner kan spores tilbage til 200 år siden, da de første tunneler blev bygget. Generelt, materialerne i en TBM, der er i kontakt med slibende partikler, kan opdeles i metaller, keramik og materialer, der kombinerer dem, dvs kompositter. Kompositterne har normalt den højeste slidstyrke i aggressive miljøer. "Vi forsøgte at forbedre slidstyrken af ​​materialer i bevægelige elementer i en TBM, og kompositterne var det rigtige valg til videre udvikling, "lederen af ​​tribologi og genbrugsforskningsgruppe, seniorforsker ved TalTech School of Engineering, Maksim Antonov forklarer.

Testene udført i løbet af forskningsperioden fulgte hovedmålet - at forlænge levetiden for TBM skærende værktøjer for at minimere behovet for udskiftning af dem. Værktøjer fremstillet af materialer med højere slidstyrke kan udskiftes sjældnere.

"Udskiftning af sliddelene på en TBM, skæreværktøjer eller trækbits, er en kompliceret, kostbar og farlig opgave. En TBM har gigantiske dimensioner:dens diameter kan nå op til 18 meter, mens længden kan være op til 130 meter, og arbejdszonen for bløde TBM'er er konstant under højt tryk. Dette gør adgang til skærende værktøjer til reparation eller udskiftning meget farlig, og det skal gøres så sjældent som muligt, og det er bedre, hvis det udføres af en robot, " forklarer Antonov.

Det mest hyppige job for en TBM i dag er konstruktion af undergrundsbaner. Undergrundsbaner bruges normalt i store byer, der har tendens til at blive bygget i nærheden af ​​floder. Jorden omkring floder er sammensat af sedimentære bjergarter, sand og ler. Ujævnheden af ​​sådan jord, hvor sand, ler og sedimentære bjergarter veksler, gør konstruktionen af ​​tunneler kompliceret. Sådanne aggressive forhold indebærer yderligere udfordringer og øger efterspørgslen efter bedre slidstyrke af TBM skærende værktøjer.

Den førnævnte tunnelteknologi kan bruges i en bred vifte af applikationer - den kan bruges til installation af vandrør eller elkabler under jorden ved den grøfteløse metode til at bygge store tunneler eller undergrundsbaner. Den trenchless metode er især fordelagtig i byforhold, da jorden kan fjernes, og den nødvendige infrastruktur kan installeres næsten helt uden skyttegrave, gør det muligt at undgå skader på bygninger og veje. For eksempel, sådanne arbejder er blevet udført i de senere år tæt på det romerske Colosseum i Italien, og der er taget betydelige forholdsregler for at undgå skader på kulturarvssteder.

Maksim Antonov:"Vi fik meget inspiration fra naturen ved at analysere strukturen af ​​muldvarpeskind, skæl af fisk, og strukturen af ​​fossile kiselalger. I vores endelige design forsøgte vi at implementere diamant, kubisk bornitrid, wolfram eller titaniumcarbid pulver som forstærkning af vores kompositter, vi brugte 3-D-print eller industrielle diamanttråde."

Takket være brugen af ​​den selektive lasersmelteteknologi til 3D-print, vi var i stand til at opnå gradientkompositter (hvor det nødvendige materiale i den ønskede mængde kan tilføjes til bestemte steder) og materialer, der har op til 10 gange højere deformation end konventionelle keramiske materialer.

Som et resultat af implementeringen af ​​den nye teknologi var vi i stand til at opnå specifikke gradientkompositmaterialer og det materiale, der kan kaldes elastisk diamant, som vi overvejer fremadrettet til skærende værktøjer eller andre kritiske dele af en TBM. Ud over, vi bekræftede, at ved at justere mikrotopografien af ​​den kontaktende overflade (gennem 3-D print) er det muligt at opnå et materiale med utrolig lav og stabil friktion. "Sådanne materialer kan anvendes i forskellige områder, lige fra udgravning af jorden til NASA rumudstyr, " forklarer Maksim Antonov.