Des matériaux optimaux pour les outils de coupe des tunneliers (TBM) ont été développés dans le cadre du projet de trois ans récemment terminé "Bout de traînée innovant en diamant polycristallin (PDC) pour les tunneliers à sol mou" par les scientifiques des matériaux de TalTech du groupe de tribologie et de recyclage.

L'histoire des tunneliers remonte à il y a 200 ans, lorsque les premiers tunnels ont été construits. En général, les matériaux d'un tunnelier qui sont en contact avec des particules abrasives peuvent être divisés en métaux, céramiques et matériaux qui les associent, c'est-à-dire composites. Les composites ont généralement la résistance à l'usure la plus élevée dans les environnements agressifs. "Nous essayions d'améliorer la résistance à l'usure des matériaux des éléments mobiles d'un tunnelier et les composites étaient le bon choix pour un développement ultérieur, " le chef du groupe de recherche en tribologie et recyclage, chercheur senior de la TalTech School of Engineering, Maksim Antonov explique.

Les tests effectués au cours de la période de recherche poursuivaient l'objectif principal :prolonger la durée de vie des outils coupants TBM afin de minimiser le besoin de leur remplacement. Les outils fabriqués dans des matériaux plus résistants à l'usure peuvent être remplacés moins fréquemment.

"Remplacement des pièces d'usure d'un tunnelier, c'est-à-dire des outils de coupe ou des trépans, est compliqué, tâche coûteuse et dangereuse. Un tunnelier a des dimensions gigantesques :son diamètre peut atteindre jusqu'à 18 mètres tandis que la longueur peut aller jusqu'à 130 mètres et la zone de travail des tunneliers à sol meuble est constamment sous haute pression. Cela rend l'accès aux outils de coupe pour leur réparation ou leur remplacement très dangereux et doit être fait le plus rarement possible, et c'est mieux si c'est fait par un robot, ", explique Antonov.

Le travail le plus fréquent pour un tunnelier de nos jours est la construction de métros. Les métros sont généralement utilisés dans les grandes villes qui ont tendance à être construites à proximité des rivières. Le sol autour des rivières est composé de roches sédimentaires, sable et argile. L'inégalité d'un tel sol où le sable, L'alternance des couches d'argile et de roches sédimentaires rend la construction de tunnels compliquée. De telles conditions agressives impliquent des défis supplémentaires et augmentent la demande pour une meilleure résistance à l'usure des outils de coupe TBM.

La technologie de creusement de tunnels susmentionnée peut être utilisée dans une large gamme d'applications - elle peut être utilisée pour l'installation de conduites d'eau ou de câbles électriques sous le sol par la méthode sans tranchée de construction de grands tunnels ou de métros. La méthode sans tranchée est particulièrement avantageuse dans des conditions urbaines, puisque le sol peut être enlevé et l'infrastructure requise peut être installée presque entièrement sans tranchée, permettant d'éviter d'endommager les bâtiments et les routes. Par exemple, de tels travaux ont été réalisés ces dernières années à proximité du Colisée romain en Italie et des précautions importantes ont été prises pour éviter tout dommage aux sites du patrimoine culturel.

Maksim Antonov :« Nous nous sommes beaucoup inspirés de la nature en analysant la structure des peaux de taupes, écailles de poisson, et la structure des diatomées fossiles. Dans notre conception finale, nous avons essayé de mettre en œuvre le diamant, nitrure de bore cubique, poudre de carbure de tungstène ou de titane comme renfort de nos composites, nous avons utilisé l'impression 3D ou des fils diamantés industriels."

Grâce à l'utilisation de la technologie de fusion laser sélective de l'impression 3D, nous avons pu obtenir des composites à gradient (où le matériau requis dans la quantité souhaitée peut être ajouté à certains endroits) et des matériaux qui ont une déformation jusqu'à 10 fois plus élevée que les matériaux céramiques conventionnels.

Grâce à la mise en œuvre de la nouvelle technologie, nous avons pu obtenir des matériaux composites à gradient spécifique et le matériau que l'on peut appeler diamant élastique, que nous considérons prospectivement pour les outils de coupe ou d'autres parties critiques d'un tunnelier. En outre, nous avons confirmé qu'en ajustant la microtopographie de la surface de contact (par impression 3-D), il est possible d'obtenir un matériau avec un frottement incroyablement faible et stable. "De tels matériaux peuvent être appliqués dans divers domaines allant de l'excavation du sol aux équipements spatiaux de la NASA, ", explique Maksim Antonov.