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

許多現有的地下礦井已接近極限開(kāi)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(shí)現礦產(chǎn)資源的合理規劃和規模開(kāi)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(lái)自瑞典的一家礦業(yè)設備公司，擁有許多創(chuàng )新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠在開(kāi)采礦石的同時(shí)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動(dòng)的潛孔 (DTH) 錘。Wassara的液動(dòng)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動(dòng)，不使用油脂進(jìn)行潤滑，因此不會(huì )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。與相對傳統的氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)相比，Wassara的技術(shù)可節省大量的能源成本，因為驅動(dòng)液動(dòng)潛孔錘所需的能量更少。

由于高壓水能夠驅動(dòng)沖錘產(chǎn)生高頻、高能量沖擊運動(dòng)，因此被Wassara選作傳動(dòng)媒介。此外，當水流離開(kāi)錘體時(shí)，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(diǎn)，例如鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量佳，并且對鉆探巖層的護壁能力強。液驅潛孔錘技術(shù)的加入，使得礦山企業(yè)在選擇最適合礦體特性的開(kāi)采方式時(shí)有了更多選擇，它被視為是向科學(xué)開(kāi)采邁進(jìn)的一大步。

挑戰

每部潛孔錘都由眾多復雜的部件組成。潛孔錘的核心部件是為活塞組件提供雙向高壓水導流的滑動(dòng)外殼，該外殼內部要求具有多條高壓水流動(dòng)孔道；由于設計的復雜性，必須將多個(gè)加工好的零件接合在一起，才可制作出完整的外殼。復雜的設計也使得該部件的造價(jià)較為昂貴。此外，接合工藝過(guò)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致的設備故障（這將增加維修成本），這些都使得潛孔錘的整體擁有成本進(jìn)一步上升。

解決方案

為了降低成本并提高滑動(dòng)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(zhù)優(yōu)點(diǎn)之一，便是能夠將原本分散的零件組合成一個(gè)復雜的3D幾何結構，而且還可簡(jiǎn)化加工步驟，例如，在加工一端需要盲塞或焊接的跨孔時(shí)，增材制造便可發(fā)揮優(yōu)勢。當增材方式制造的部件與傳統方式制造的部件在設計上沒(méi)有過(guò)大差異時(shí)，便可在相同的應用環(huán)境中對二者進(jìn)行測試，其結果可作為驗證金屬增材組件可用性的理想依據。在標準測試條件下對兩類(lèi)部件的性能進(jìn)行詳細對比，如果結果中出現任何顯著(zhù)差異，即可直接歸因于制造技術(shù)的變化。Wassara滑動(dòng)外殼的幾何結構經(jīng)過(guò)了重新設計，集成了增材制造在設計自由度方面的優(yōu)勢。

采用金屬增材制造方案需要克服的下一個(gè)難題是針對特定應用采用合適的金屬合金。在本案例中，該部件原來(lái)使用的是標準合金鋼527M20，這是一種合金結構鋼，由于碳含量中等，通常不會(huì )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，但預計在使用期間仍無(wú)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(shí)效合金鋼生產(chǎn)測試部件。馬氏體時(shí)效鋼是一種時(shí)效硬化工具鋼，用途極為廣泛；可對其進(jìn)行熱處理，通過(guò)調節工藝溫度可獲得適合特定應用要求的材料特性。

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

結果

為了測試增材滑動(dòng)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(cháng)通道孔。隨后對潛孔錘進(jìn)行常規目視檢查和維護，與傳統外殼相比，增材制造的滑動(dòng)外殼并未出現任何斑蝕跡象，并且磨損程度很小。接著(zhù)又重新組裝潛孔錘，并繼續進(jìn)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(dòng)外殼進(jìn)行了第二次檢查，發(fā)現確實(shí)出現了一些磨損跡象，但除此之外，部件表面并沒(méi)有出現斑蝕（這是導致設備故障的第二大常見(jiàn)原因）。隨后Wassara又進(jìn)行了第三次鉆鑿測試，這次的持續時(shí)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(huì )出現斑蝕跡象，但實(shí)際上仍未出現任何斑蝕情況。由此得出的初步結論是，與采用標準合金鋼制造的傳統滑動(dòng)外殼相比，采用馬氏體時(shí)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，在精密測量和醫療保健領(lǐng)域擁有專(zhuān)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，到口腔和腦外科醫療設備等。此外，它還在全球增材制造（也稱(chēng)3D打?。╊I(lǐng)域居領(lǐng)導地位，是英國唯一一家設計和制造工業(yè)用增材制造設備（通過(guò)金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在35個(gè)國家/地區設有70多個(gè)分支機構，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(jìn)行，在截至2017年6月的2017財年，雷尼紹實(shí)現了5.368億英鎊的銷(xiāo)售額，其中95%來(lái)自出口業(yè)務(wù)。公司最大的市場(chǎng)為中國、美國、德國和日本。