レニショーの3Dプリント金属ダウンザホールハンマーは、鉱山会社ワサラがより深いところまで到達するのを助けます

現在、人類による鉱物資源の消費が増大するにつれ、多くの地下鉱山が採掘深度の限界に達しています。鉱山会社は増大するコストと利益の圧力に対処することが困難になっており、さまざまなコストの制御性を確保するための新しい掘削ソリューションを緊急に必要としています。

さらに、新しい鉱床はより深く埋まっているため、産出量も低くなります。したがって、より効率的で正確な掘削方法を採用することが避けられない選択となっています。付加製造は鉱業で役割を果たすのでしょうか?

Antarctic Bearによると、Wassaraはスウェーデンの鉱山機器会社で、鉱石の採掘中に環境への悪影響を最小限に抑えることができる革新的な製品を多数提供しています。 Wassara のコア技術は、高圧水ジェットで駆動するダウンザホール (DTH) ハンマーです。 Wassara 社の油圧式ダウンザホールハンマーは、現在利用可能な最も環境に優しい打撃掘削方法です。ダウンザホールハンマーは高圧水ジェットで駆動され、潤滑にグリースを使用しないため、空気や地下水を汚染しません。また、高圧水は粉塵も効果的に抑制します。水の非圧縮性は、Wassara ダウンザホールハンマーの効率的な操作における重要な要素です。 Wassara の技術では、従来の空気圧 DTH 技術に比べて、油圧 DTH ハンマーの駆動に必要なエネルギーが少なくなるため、エネルギーコストを大幅に節約できます。

高圧水はハンマーを駆動して高周波、高エネルギーの衝撃運動を生み出すことができるため、ワサラ氏はこれを伝達媒体として選択しました。さらに、水がハンマーから出ると、その速度は掘削されたコアと切削片を地表に戻し、掘削孔を洗浄するのに十分なものになります。この技術には、高い掘削効率、優れた掘削孔品質、掘削された岩層に対する強力な壁面保護能力など、多くの優れた利点があります。液体駆動のダウンザホールハンマー技術の導入により、鉱石の特性に最も適した採掘方法を選択する選択肢が鉱山会社に広がりました。これは科学的採掘に向けた大きな一歩とみなされています。

上: ダウンザホール (DTH) ハンマー技術の概略図
チャレンジ

すべてのダウンザホールハンマーは、多くの複雑な部品で構成されています。ダウンザホールハンマーのコアコンポーネントは、ピストンアセンブリに双方向の高圧水流を提供するスライドハウジングです。ハウジングの内部には、複数の高圧水流路が必要です。設計が複雑なため、完全なハウジングを製造するには、複数の加工部品を結合する必要があります。設計が複雑なため、コンポーネントの価格も高くなります。さらに、接合プロセス中に不良品が頻繁に発生し、使用段階で部品の摩耗や穴あけによる機器の故障（修理コストの増加）が発生するため、ダウンザホールハンマーの総所有コストがさらに増加します。

解決

Wassara は、コストを削減し、スライドハウジングコンポーネントの信頼性を向上させるために、Renishaw に連絡し、積層造形 (AM) が適切な代替製造オプションになるかどうかを検討しました。金属積層造形の大きな利点の 1 つは、もともと別々だった部品を複雑な 3D 幾何学的構造に組み合わせることができる点です。また、処理手順も簡素化できます。たとえば、片端でブラインドプラグや溶接が必要な交差穴を処理するときに、積層造形を有利に活用できます。積層造形部品の設計が従来製造部品の設計とそれほど変わらない場合、両方を同じアプリケーション環境でテストすることができ、その結果は金属積層造形部品の有用性を検証するのに最適です。標準テスト条件下での 2 種類のコンポーネントのパフォーマンスを詳細に比較すると、結果に大きな違いがあれば、その原因を製造技術の変更に直接帰することができます。 Wassara スライドハウジングの形状は、設計の自由度という点で積層造形の利点を統合するように再設計されました。

△ワサラが再設計したスライディングシェル
金属付加製造ソリューションを採用する際に克服すべき次のハードルは、特定の用途に適した金属合金を見つけることです。この場合、部品は元々標準合金鋼 527M20 で作られていましたが、これは中程度の炭素含有量のため、金属積層造形では通常使用されない構造用合金鋼です。積層造形に適した合金鋼としては、316Lステンレス鋼が挙げられます。ただし、この合金鋼は耐食性に優れているものの、使用中に十分な耐摩耗性と耐侵食性を確保できないことが予想されます。

レニショーが提案したもう一つの代替案は、マルエージング鋼合金を使用してテスト部品を製造することでした。マルエージング鋼は、幅広い用途に使用できる時効硬化工具鋼です。処理温度を調整することで、特定の用途の要件に合わせた材料特性を得るために熱処理することができます。

このタイプの鋼が鉱山でテストされ、適用されたのは今回が初めてであったため、スライドハウジングは機械加工後に熱処理され、最大限の硬度が確保されました。

結果

添加剤スライディングハウジングの性能をテストするために、ワサラはそれを完全なダウンザホールハンマーに組み立て、標準的な採掘条件、つまり選択した岩壁に典型的な長いアクセスホールを掘削してテストしました。その後、ハンマーの定期的な目視検査とメンテナンスにより、AM スライディングハウジングには従来のハウジングに比べてピットの兆候が見られず、摩耗も最小限であることが明らかになりました。その後、ハンマーは再び組み立てられ、さらに掘削作業が続けられました。
△積層造形技術を用いたマルエージング鋼製摺動ハウジング部品 △テスト後のスライドハウジング<br /> 上記の作業を完了した後、ワサラは AM スライドハウジングの 2 回目の検査を実施し、摩耗の兆候が見られるものの、コンポーネントの表面に穴が開いていないことを確認しました (機器の故障の 2 番目に多い原因)。その後、ワサラ氏は、孔食の兆候があるかどうかを可能な限り判断するために、通常の DTH ハンマーの動作サイクルをはるかに超える 3 回目の掘削テストを実施しましたが、実際には孔食は見つかりませんでした。このことから導き出された最初の結論は、マルエージング鋼から作られた添加剤コンポーネントは、標準合金鋼から作られた従来のスライドハウジングと比較して、孔食腐食に対する耐性が優れている可能性があるということです。

出典: レニショー

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