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采礦業(yè)需要新的鉆探解決方案，以應(yīng)對日益增長的成本與效益壓力。與當(dāng)前鉆探方案相比，新方案不僅要更為環(huán)保，而且要更具經(jīng)濟優(yōu)勢。

許多現(xiàn)有的地下礦井已接近極限開采深度，因此目前的鉆探方法很難再保證各項成本的可控性。新的礦床埋藏更深，產(chǎn)量也較低。種種因素疊加在一起，要求采礦企業(yè)必須實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的合理規(guī)劃和規(guī)模開采，因此采用更加高效、精準的鉆探方法成為了必然的選擇。

背景

Wassara是來自瑞典的一家礦業(yè)設(shè)備公司，擁有許多創(chuàng)新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠在開采礦石的同時最大限度地減少對環(huán)境的負面影響。Wassara的核心技術(shù)是使用高壓水射流驅(qū)動的潛孔 (DTH) 錘。Wassara的液動潛孔錘是目前最環(huán)保的沖擊鉆探方法。潛孔錘由高壓水射流驅(qū)動，不使用油脂進行潤滑，因此不會污染空氣或地下水，此外，高壓水還可有效抑制粉塵。水的不可壓縮性是Wassara潛孔錘高效工作的關(guān)鍵因素。與相對傳統(tǒng)的氣動潛孔錘技術(shù)相比，Wassara的技術(shù)可節(jié)省大量的能源成本，因為驅(qū)動液動潛孔錘所需的能量更少。

由于高壓水能夠驅(qū)動沖錘產(chǎn)生高頻、高能量沖擊運動，因此被Wassara選作傳動媒介。此外，當(dāng)水流離開錘體時，其速度足以將鉆探出的巖心和碎屑帶回地面，并清潔鉆孔。此項技術(shù)具有許多絕佳優(yōu)點，例如鉆進效率高、鉆孔質(zhì)量佳，并且對鉆探巖層的護壁能力強。液驅(qū)潛孔錘技術(shù)的加入，使得礦山企業(yè)在選擇最適合礦體特性的開采方式時有了更多選擇，它被視為是向科學(xué)開采邁進的一大步。

挑戰(zhàn)

每部潛孔錘都由眾多復(fù)雜的部件組成。潛孔錘的核心部件是為活塞組件提供雙向高壓水導(dǎo)流的滑動外殼，該外殼內(nèi)部要求具有多條高壓水流動孔道；由于設(shè)計的復(fù)雜性，必須將多個加工好的零件接合在一起，才可制作出完整的外殼。復(fù)雜的設(shè)計也使得該部件的造價較為昂貴。此外，接合工藝過程中頻繁產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品，以及使用階段由于部件磨損或斑蝕而導(dǎo)致的設(shè)備故障（這將增加維修成本），這些都使得潛孔錘的整體擁有成本進一步上升。

解決方案

為了降低成本并提高滑動外殼部件的可靠性，Wassara找到了雷尼紹，希望了解增材制造 (AM) 技術(shù)是否能夠成為一種合適的替代制造方案。金屬增材制造的顯著優(yōu)點之一，便是能夠?qū)⒃痉稚⒌牧慵M合成一個復(fù)雜的3D幾何結(jié)構(gòu)，而且還可簡化加工步驟，例如，在加工一端需要盲塞或焊接的跨孔時，增材制造便可發(fā)揮優(yōu)勢。當(dāng)增材方式制造的部件與傳統(tǒng)方式制造的部件在設(shè)計上沒有過大差異時，便可在相同的應(yīng)用環(huán)境中對二者進行測試，其結(jié)果可作為驗證金屬增材組件可用性的理想依據(jù)。在標準測試條件下對兩類部件的性能進行詳細對比，如果結(jié)果中出現(xiàn)任何顯著差異，即可直接歸因于制造技術(shù)的變化。Wassara滑動外殼的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)過了重新設(shè)計，集成了增材制造在設(shè)計自由度方面的優(yōu)勢。

采用金屬增材制造方案需要克服的下一個難題是針對特定應(yīng)用采用合適的金屬合金。在本案例中，該部件原來使用的是標準合金鋼527M20，這是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，由于碳含量中等，通常不會用于金屬增材制造。更適合增材制造的合金鋼為316L不銹鋼，然而，雖然這種合金鋼的耐腐蝕性能較好，但預(yù)計在使用期間仍無法保證足夠的耐磨蝕和耐侵蝕性能。

雷尼紹提出的另一種備選方案是使用馬氏體時效合金鋼生產(chǎn)測試部件。馬氏體時效鋼是一種時效硬化工具鋼，用途極為廣泛；可對其進行熱處理，通過調(diào)節(jié)工藝溫度可獲得適合特定應(yīng)用要求的材料特性。

這是該類型鋼在礦山開采領(lǐng)域的第一次測試和應(yīng)用，因此在滑動外殼加工完成后對其進行了熱處理，以確保達到最大硬度。

結(jié)果

為了測試增材滑動外殼的性能，Wassara將其組裝到完整的潛孔錘上，在標準采掘條件下測試使用，即在選定巖面上鉆鑿典型的長通道孔。隨后對潛孔錘進行常規(guī)目視檢查和維護，與傳統(tǒng)外殼相比，增材制造的滑動外殼并未出現(xiàn)任何斑蝕跡象，并且磨損程度很小。接著又重新組裝潛孔錘，并繼續(xù)進行更多的鉆鑿作業(yè)。

完成上述作業(yè)后，Wassara對增材制造的滑動外殼進行了第二次檢查，發(fā)現(xiàn)確實出現(xiàn)了一些磨損跡象，但除此之外，部件表面并沒有出現(xiàn)斑蝕（這是導(dǎo)致設(shè)備故障的第二大常見原因）。隨后Wassara又進行了第三次鉆鑿測試，這次的持續(xù)時間遠遠超出正常的潛孔錘工作周期，以期盡可能確定是否會出現(xiàn)斑蝕跡象，但實際上仍未出現(xiàn)任何斑蝕情況。由此得出的初步結(jié)論是，與采用標準合金鋼制造的傳統(tǒng)滑動外殼相比，采用馬氏體時效鋼制造的增材部件具有卓越的潛在耐斑蝕性能。

關(guān)于雷尼紹

雷尼紹是世界領(lǐng)先的工程科技公司之一，在精密測量和醫(yī)療保健領(lǐng)域擁有專業(yè)技術(shù)。公司向眾多行業(yè)和領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù) — 從飛機引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機制造，到口腔和腦外科醫(yī)療設(shè)備等。此外，它還在全球增材制造（也稱3D打印）領(lǐng)域居領(lǐng)導(dǎo)地位，是英國唯一一家設(shè)計和制造工業(yè)用增材制造設(shè)備（通過金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在35個國家/地區(qū)設(shè)有70多個分支機構(gòu)，員工逾4,000人，其中2,700余名員工在英國本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國本土進行，在截至2017年6月的2017財年，雷尼紹實現(xiàn)了5.368億英鎊的銷售額，其中95%來自出口業(yè)務(wù)。公司最大的市場為中國、美國、德國和日本。