Ermüdungsbruch durch Hitze in Inconel-Düsen: dreidimensionale Unfallanalyse eines katastrophalen Versagens

Im vergangenen Monat versagte ein experimenteller Raketentriebwerksmotor während eines statischen Prüfstandsversuchs auf katastrophale Weise. Die Düse, gefertigt aus Inconel 718 mittels Pulverbettschmelzen (PBF-LB), zerbrach in mehrere Fragmente. Das Ingenieurteam leitete eine digitale forensische Analyse mit GOM Inspect ein, um die Überreste zu scannen und die ursprüngliche Geometrie zu rekonstruieren. Ziel war es, festzustellen, ob das Versagen durch zyklische thermische Ermüdung oder durch einen Schmelzdefekt in den inneren Schichten des Bauteils verursacht wurde.

Volumetrische Rekonstruktion und thermische CFD-Simulation in ANSYS Fluent 🔥

Die Pipeline begann mit dem hochauflösenden optischen Scannen der Düsenfragmente. GOM Inspect ermöglichte die Ausrichtung der Teile und die Erzeugung eines Oberflächennetzes, das in nTopology exportiert wurde. Dort wurde eine volumetrische Rekonstruktion durchgeführt, um die fehlenden Bereiche zu füllen und ein vollständiges Festkörpermodell zu erstellen. Dieses Modell wurde für eine gekoppelte thermische CFD-Simulation in ANSYS Fluent importiert. Es wurden repräsentative Randbedingungen des Versuchs angewendet: Gasströmung bei 3200 K und Kammerdruck von 70 bar. Die Ergebnisse zeigten einen extremen Temperaturgradienten im Düsenhals mit Oberflächentemperaturen über 1400 K. Die Spannungsanalyse ergab, dass die Bereiche höchster Belastung mit den an den Überresten beobachteten Bruchlinien übereinstimmten.

Lehren aus mangelnder Verschmelzung und Ermüdung in gedruckten Schichten ⚙️

Die mikroskopische Untersuchung der Bruchflächen, korreliert mit den Spannungskarten aus ANSYS, identifizierte Bereiche mit übermäßiger Porosität. Diese Zonen wiesen eine mangelnde Verschmelzung zwischen benachbarten Schichten auf und wirkten als Spannungskonzentratoren. Die zyklische thermische Ermüdung während der Sekunden vor dem Versagen breitete Risse von diesen Defekten aus, bis zum katastrophalen Bruch. Dieser Fall zeigt, dass bei Hochleistungsanwendungen die Materialermüdungssimulation reale 3D-Scandaten integrieren muss, um Fertigungsdefekte zu erfassen, die ideale Modelle übersehen.

Welche spezifischen Multiphysik-Simulationstechniken ermöglichten es, die bei der 3D-forensischen Analyse der Inconel-Düse beobachteten Rissmuster mit den thermischen Ermüdungszyklen während des katastrophalen Raketentriebwerksversagens zu korrelieren?

(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)