"Tunnelite puurimisseadmete kuluvosade ehk lõiketerade vahetamine on keeruline, kallis ja väga ohtlik," märkis triboloogia ja ümbertöötlemise uurimisrühma juht, tehnikaülikooli inseneriteaduskonna vanemteadur Maksim Antonov.

Tunnelipuur on hiiglaslik: läbimõõt on kuni 18 meetrit, pikkus võib ulatuda kuni 130 meetrini ning näiteks pehme pinnase puurimisseadme töötsoon on pidevalt kõrge rõhu all. See tähendab, et inimesel on väga ohtlik puurimistsooni kasvõi remonttööde ajaks minna. Nii olekski parem, kui puurimisseadet tuleks remotida võimalikult harva, veel parem, kui seda teeks robot.

Laias laastus saab tunnelikombainide lõiketerades kasutatavad materjalid liigitada metalliks, keraamikaks ja kombineeritud materjaliks, ehk komposiitideks.

Just see viimane – komposiitmaterjal, mis on segu metallist ja keraamikast, on kõige kulumiskindlam.

"Oma uurimisrühmas tegelesime just nn liikuvate masinaosade kulumiskindluse suurendamisega, keskendudes selle materjali edasi arendamisele," selgitas Antonov.

Uurimisperioodi jooksul tehtud katsed kulumiskindlate materjalidega teenisid vaid üht eesmärki: suurendada nende osade kulumiskindlust nii, et neid tuleks võimalikult vähe remontida ja välja vahetada.

Inspiratsioon mutinahast

"Oma arendustöös saime palju inspiratsiooni loodusest, analüüsides muuhulgas ka näiteks mutinaha, kalasoomuste ja ränivetikate struktuuri," kirjeldas Antonov. Teadlased katsetasid lõiketerade komposiitmaterjalis teemandi, kuubilise boornitriidi, volframi või titaankarbiidi puru lisamist ning kasutasid selleks 3D printerit või tööstuslikku peent teemanttraati.

Tulemuseks on nüüd kihtlisandustehnoloogiaga 3D printides gradientne materjal, mida teadlased nimetavad n-ö elastseks teemantiks. See tähendab, et selle tehnoloogia käigus doseeritakse vastavat pulbrit tootesse erinevalt. Võrreldes näiteks keraamikaga saadakse nii kuni kümme korda suurema deformatsioonitaluvusega materjal.

"Lisaks avastasime, et pinna mikroreljeefi muutmine, mida valmistatakse 3D printimisega, võimaldab saavutada erakordselt stabiilse hõõrdeteguriga materjali. Selliste materjalide kasutusala ulatub igapäevastest kaevetöödest kuni NASA kosmosetehnikani," kinnitas Maksim Antonov.

Kaevamine Colosseumi all

Kõige sagedamini kasutatakse tunnelipuure metroode rajamisel. Metroosid kasutatakse eelkõige suurlinnades, mis omakorda asuvad sageli jõgede läheduses. See tähendab, et puuritav pinnas koosneb tihti settekivimitest, liivast ja savist. Keeruliseks teeb taolise puurimistöö just pinnase ebaühtlus: liiva- ja savikihid vahelduvad kõvemate kivimikihtidega.

See seab puuri lõiketerade vastupidavusele omad väljakutsed ja puurimisseadmete kuluvosade kulumiskindlus peab olema võimalikult kõrge.

Puurimistehnoloogia kasutusala on lai: seda saab kasutada vee- ja elektritrasside kaevamisest suurte maa-aluste tunneliteni, näiteks metroode rajamiseks.

Suure eelise sellisele tunnelkaevamisele annab eriti linnatingimustes asjaolu, et kaevatakse maa all ja nii ei kahjustata olemasolevaid maapealseid teid ja rajatisi. Näiteks on kasutatud sellist tunnelkaevamist viimastel aastatel Rooma Colosseumi varemete läheduses, kus vanem kaevemeetod võinuks ajaloolist kultuuriväärtust kahjustada.

Maksim Antonovi juhitud projekt kandis nime "Innovatiivsed polükristallilisest teemandist kuluvosad pehme pinnase tunneli puurimisseadmete tarbeks"