雷尼紹3D打印金屬潛孔錘,，助力采礦企業(yè)Wassara挺進(jìn)更深地層

如今，隨著人類對礦產(chǎn)資源的消耗日益加大,，很多地下礦井已接近極限開采深度,，采礦企業(yè)難以應(yīng)對日益增長的成本與效益壓力，急需新的鉆井方案來保證各項成本的可控性,。

而且新的礦床埋藏更深,，產(chǎn)量也較低。因此采用更加高效,、精準(zhǔn)的鉆探方法成為了必然的選擇。增材制造在采礦業(yè)是否可以發(fā)揮作用呢,？

據(jù)南極熊了解,，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(fù)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(jìn)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(yùn)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(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量佳,，并且對鉆探巖層的護(hù)壁能力強(qiáng),。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(jìn)的一大步,。

上圖：潛孔 (DTH) 錘技術(shù)示意圖

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(jìn)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�本分散的零件組合成一個復(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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)測試條件下對兩類部件的性能進(jìn)行詳細(xì)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,。

△Wassara重新設(shè)計的滑動外殼

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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行了熱處理,，以確保達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行常規(guī)目視檢查和維護(hù)，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(jìn)行更多的鉆鑿作業(yè)。

△利用增材制造技術(shù)制造的馬氏體時效鋼滑動外殼部件

△測試之后的滑動外殼

完成上述作業(yè)后,，Wassara對增材制造的滑動外殼進(jìn)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(jìn)行了第三次鉆鑿測試，這次的持續(xù)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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。

來源：雷尼紹