Os materiais ideais para ferramentas de corte de broqueadoras de túnel (TBM) foram desenvolvidos no projeto recém-concluído de três anos "Broca de arrasto inovadora de diamante policristalino (PDC) para máquinas de perfuração de túnel de solo macio" pelos cientistas de materiais da TalTech do grupo de tribologia e reciclagem.

A história das máquinas de perfuração de túneis remonta a 200 anos atrás, quando os primeiros túneis foram construídos. Em geral, os materiais de um TBM que estão em contato com partículas abrasivas podem ser divididos em metais, cerâmicas e materiais que os combinam, ou seja, compósitos. Os compósitos costumam ter a maior resistência ao desgaste em ambientes agressivos. "Estávamos tentando melhorar a resistência ao desgaste dos materiais dos elementos móveis de um TBM e os compósitos foram a escolha certa para desenvolvimento posterior, "o chefe do grupo de pesquisa tribologia e reciclagem, pesquisador sênior da TalTech School of Engineering, Maksim Antonov explica.

Os testes realizados durante o período da pesquisa seguiram o objetivo principal - prolongar a vida útil das ferramentas de corte TBM para minimizar a necessidade de sua substituição. As ferramentas feitas de materiais com maior resistência ao desgaste podem ser substituídas com menos frequência.

“Substituição das peças de desgaste de um TBM, ou seja, ferramentas de corte ou bits de arrasto, é complicado, tarefa cara e perigosa. Um TBM tem dimensões gigantescas:seu diâmetro pode chegar a 18 metros, enquanto o comprimento pode chegar a 130 metros e a zona de trabalho de TBMs de solo macio está constantemente sob alta pressão. Isso torna o acesso às ferramentas de corte para seu reparo ou substituição muito perigoso e deve ser feito o mais raramente possível, e é melhor se for feito por um robô, "Antonov explica.

O trabalho mais frequente para um TBM hoje em dia é a construção de metrôs. Os metrôs são normalmente usados ​​em grandes cidades que tendem a ser construídas nas proximidades dos rios. O solo ao redor dos rios é composto por rochas sedimentares, areia e argila. O desnível de tal terreno onde a areia, as camadas de argila e rochas sedimentares se alternam dificultando a construção de túneis. Essas condições agressivas implicam em desafios adicionais e aumentam a demanda por melhor resistência ao desgaste das ferramentas de corte TBM.

A tecnologia de tunelamento mencionada pode ser usada em uma ampla gama de aplicações - ela pode ser usada para a instalação de canos de água ou cabos de eletricidade sob o solo pelo método sem valas de construção de grandes túneis ou metrôs. O método sem valas é especialmente vantajoso em condições urbanas, uma vez que o solo pode ser removido e a infraestrutura necessária pode ser instalada quase inteiramente sem trincheiras, tornando possível evitar danos a edifícios e estradas. Por exemplo, tais obras foram realizadas nos últimos anos perto do Coliseu Romano, na Itália, e precauções significativas foram tomadas para evitar qualquer dano a locais de patrimônio cultural.

Maksim Antonov:"Nós nos inspiramos muito na natureza ao analisar a estrutura das peles das toupeiras, escamas de peixes, e a estrutura das diatomáceas fósseis. Em nosso projeto final, tentamos implementar o diamante, nitreto de boro cúbico, pó de tungstênio ou carboneto de titânio como reforço de nossos compósitos, usamos impressão 3-D ou fios de diamante industriais. "

Graças ao uso da tecnologia de fusão a laser seletiva de impressão 3-D, conseguimos obter compósitos gradientes (onde o material necessário na quantidade desejada pode ser adicionado em determinados locais) e materiais que apresentam deformação até 10 vezes maior do que os materiais cerâmicos convencionais.

Como resultado da implementação da nova tecnologia, fomos capazes de obter materiais compostos de gradiente específico e o material que pode ser chamado de diamante elástico, que consideramos prospectivamente para ferramentas de corte ou outras partes críticas de um TBM. Além disso, confirmamos que ajustando a microtopografia da superfície de contato (por meio de impressão 3D) é possível obter um material com atrito incrivelmente baixo e estável. "Esses materiais podem ser aplicados em várias áreas, desde a escavação do solo até o equipamento espacial da NASA, "Maksim Antonov explica.