Loodusest inspireeritud: Eesti teadlased lõid uue ülivastupidava materjali

Materjali pinna optiline kujutis pärast erosiooni katsetamist kiirusega 30 m/s ja lööginurgaga 30 kraadi. Foto: Rahul Kumar / Tallinna Tehnikaülikool

Tehnikaülikooli teadlasteloodud uus puurimaterjal võib leida kasutust hiiglaslikest tunnelipuuridest kosmosetehnikani.

Äsja lõppes kolm aastat väldanud Tallinna Tehnoloogiaülikooli materjaliteadlaste triboloogia ja ümbertöötlemise uurimisrühma uurimisprojekt «Innovatiivsed polükristallilisest teemandist kuluvosad pehme pinnase tunneli puurimisseadmete tarbeks», mille käigus arendati optimaalset materjali tunnelipuuride lõiketeradele.

Tunneleid puurivate kilpläbinduskombainide kasutusajalugu ulatub 200-aasta tagusesse aega, kui tekkisid esimesed tunnelid ja metrood. Laias laastus saab tunnelikombainide lõiketerades kasutatavad materjalid liigitada metalliks, keraamikaks ja kombineeritud materjaliks, ehk komposiitideks. Just sellel viimasel – komposiitmaterjalil (segu metallist ja keraamikast) on vastupidavus kulumiskindlusele kõige suurem. «Oma uurimisrühmas tegelesime just nn liikuvate masinaosade kulumiskindluse suurendamisega, keskendudes selle materjali edasi arendamisele,» selgitab triboloogia ja ümbertöötlemise uurimisrühma juht, tehnikaülikooli inseneriteaduskonna vanemteadur Maksim Antonov.

Uurimisperioodi jooksul tehtud katsed kulumiskindlate materjalidega teenisid vaid üht eesmärki - pikendada tunnelipuurimisseadmete kuluvosade tööiga, minimaliseerides nii nende hooldusperioode. Seati ülesandeks suurendada nende osade kulumiskindlust, muutes nende väljavahetamis- või remondivajaduse minimaalseks.

«Tunnelite puurimisseadmete kuluvosade, ehk lõiketerade vahetamine on keeruline, kallis ja väga ohtlik. Tunnelipuur on ju hiiglaslike mõõtmetega: tema läbimõõt on kuni 18 meetrit, pikkus võib ulatuda kuni 130 meetrini ning näiteks pehme pinnase puurimisseadme töötsoon on pidevalt kõrge rõhu all. See omakorda muudab sellesse tsooni kasvõi remonttöödeks sisenemise inimesele väga ohtlikuks, mis omakorda tähendab, et remontida tuleks puurimisseadet võimalikult harva ning eelistatult teeks seda robot,» selgitab Antonov.

Tunnelipuuride levinuim kasutusala on metroode rajamisel. Metroosid kasutatakse eelkõige suurlinnades, mis omakorda asuvad sageli jõgede läheduses. Levinuim pinnas koosneb sellistel puhkudel settekivimitest, liivast ja savist. Keeruliseks teeb sellise puurimistöö just pinnase ebaühtlus: liiva- ja savikihid vahelduvad kõvemate kivimikihtidega. See seab puuri lõiketerade vastupidavusele omad väljakutsed - puurimisseadmete kuluvosade kulumiskindlus peab olema võimalikult kõrge.

Sellise puurimistehnoloogia kasutusala on lai - seda saab kasutada alates vee- ja elektritrasside kaevamisest kuni suurte maa-aluste tunneliteni (metrood). Suure eelise sellisele tunnelkaevamisele annab eriti linnatingimustes asjaolu, et kaevetööd tehakse maa all, olemasolevaid maapealseid teid ja rajatisi kahjustamata. Näiteks on kasutatud sellist tunnelkaevamist viimastel aastatel Rooma Colosseumi varemete läheduses, kus vanem kaevameetod oleks võinud ajaloolist kultuuriväärtust kahjustada.

«Oma arendustöös saime palju inspiratsiooni loodusest, analüüsides muuhulgas ka näiteks mutinaha, kalasoomuste ja ränivetikate struktuuri. Lõpptulemuses katsetasime lõiketerade komposiitmaterjalile teemandi, kuubilise boornitriidi, volfram või titaankarbiidi puru lisamist, kasutades 3D printerit või tööstuslikku peent teemanttraati,» selgitas Maksim Antonov teadustöö üksikasju.

Tulemuseks saadi kihtlisandustehnoloogiaga 3D printides gradientne (tehnoloogia, mille käigus doseeritakse vastavat pulbrit tootesse erinevalt) ja võrreldes näiteks keraamikaga kuni 10 korda suurema deformatsiooniga materjal.

«Teemandipuru lisamisega ning uue tehnoloogia abil oleme saavutanud iselaadse gradientse komposiitmaterjali ja nn elastse teemandi, mida peame tunnelipuuride lõiketerade jaoks väga perspektiivikateks. Lisaks avastasime, et pinna mikroreljeefi muutmine (valmistatakse 3D printimisega) võimaldab saavutada erakordselt stabiilse hõõrdeteguriga materjali. Selliste materjalide kasutusala ulatub igapäevastest kaevatöödest kuni NASA kosmosetehnikani,» kinnitab Maksim Antonov.