Optische Deformationsanalyse mittels Digital Image Correlation (DIC)
Berstscheiben zählen zu den wichtigsten passiven Sicherheitseinrichtungen in Druckanlagen. Im Ernstfall öffnen sie innerhalb von Millisekunden und schützen Behälter, Rohrleitungen und Anlagen zuverlässig vor unzulässigem Überdruck. Doch obwohl ihre Aufgabe eindeutig erscheint, bleibt ein wesentlicher Aspekt ihres Verhaltens häufig verborgen.
Während der Berstdruck einer Berstscheibe seit jeher im Mittelpunkt ihrer Auslegung steht, liefert er nur einen Teil der für ihre Entwicklung und Auslegung relevanten Informationen. Für die Entwicklung neuer Berstscheiben und deren optimale Auslegung für spezifische Betriebsbedingungen in einer verfahrenstechnischen Anlage reicht diese Information allein oftmals nicht aus. Ebenso von zentraler Bedeutung ist das Verformungsverhalten der Berstmembran während der Druckbelastung. Die Kenntnis darüber, an welchen Stellen hohe Dehnungen auftreten und wie sich das Material bis unmittelbar vor dem Berstereignis verhält, liefert wertvolle Erkenntnisse über die dem Versagen zugrunde liegenden Verformungs- und Schädigungsmechanismen.
Doktorand Benjamin Treude beim Vorbereiten des Berstscheiben Deformationsprüfstandes mittels DIC-System
Um genau diese Fragestellung zu beantworten, wurde im Rahmen unseres ZIM-Forschungs- und Entwicklungsprojekts (Förderkennzeichen: KK5699001LL4) gemeinsam mit unserem Kooperationspartner, der TH Köln (Arbeitsgruppe für Technische Mechanik und Strömungslehre unter der Leitung von Prof. Anders), ein Berstscheiben-Deformationsprüfstand entwickelt. Kernstück des Systems ist die Kombination aus einem speziell entwickelten Druckprüfstand und der optischen Messmethode Digital Image Correlation (DIC). Abbildung 1 zeigt den Aufbau dieses Prüfsystems.
Während die Berstscheibe kontrolliert mit Druck beaufschlagt wird, erfassen zwei hochauflösende Kameras ihre dreidimensionale Verformung (Stereo-DIC). Grundlage hierfür ist ein feines Specklemuster, das zuvor auf die Oberfläche der Berstmembran aufgebracht wird (vgl. Abbildung 2). Verformt sich die Berstmembran unter der Druckbelastung, verändern sich auch die Positionen und Abstände der Speckles auf ihrer Oberfläche. Diese Veränderungen werden von der Software des DIC-Systems erfasst und ausgewertet. Durch den Vergleich zeitlich aufeinanderfolgender Aufnahmen sowie der gleichzeitig aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommenen Kamerabilder können so für Berstscheiben erstmals dreidimensionale Verschiebungen und daraus resultierende vollflächige Dehnungsfelder über den gesamten Belastungsverlauf hinweg bestimmt werden. Das Verfahren arbeitet berührungslos und mit hoher räumlicher Auflösung, wodurch auch lokale Dehnungskonzentrationen im Bereich der eingebrachten Berstfeatures (gezielt eingebrachte Sollbruchstellen in der Berstmembran) zuverlässig erfasst werden können. Zusammen mit dem zeitgleich aufgezeichneten Druckverlauf entsteht ein detailliertes Bild des mechanischen Verhaltens der Berstscheibe (vgl. Abbildung 3).
Die gewonnenen Messdaten bilden außerdem eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung und Validierung numerischer Simulationsmodelle. Langfristig soll dadurch das Verständnis der komplexen Verformungs- und Versagensmechanismen verbessert werden. Dies ermöglicht nicht nur eine präzisere Auslegung zukünftiger Berstscheiben, sondern reduziert auch den experimentellen Entwicklungsaufwand und eröffnet neue Möglichkeiten für die virtuelle Produktentwicklung.
Der entwickelte Berstscheiben-Deformationsprüfstand ist damit weit mehr als eine Versuchseinrichtung. Er verbindet moderne optische Messtechnik mit experimenteller Werkstoffcharakterisierung und numerischer Simulation. Damit schafft er die Voraussetzungen für eine quantitative Analyse des Verformungsverhaltens von Berstscheiben über den gesamten Belastungsverlauf hinweg und bildet die Grundlage für eine datengetriebene Entwicklung zukünftiger Berstscheibengenerationen.
Autoren: Benjamin Treude und Andrea Gerz
Zuletzt aktualisiert am 17.09.2026
