Impact-Toleranz: BVID, CAI-Prüfung und die 3D-Verstärkung gegen Delamination

BVID: der Schaden, den fast niemand sieht

Ein Schlag mit niedriger Geschwindigkeit hinterlässt auf einem Laminat oft nur eine flache Delle. Im Inneren weitet sich der Schaden kegelförmig zur Rückseite auf – mit Matrixrissen, gebrochenen Fasern und vor allem Delaminationen, also flächigen Ablösungen zwischen den Lagen. Die Fachwelt nennt dieses Schadensbild BVID, Barely Visible Impact Damage: den gerade noch übersehbaren Schlagschaden.

Airbus definiert BVID über die Entdeckungswahrscheinlichkeit: der kleinste Schaden, der bei der Sichtinspektion mit 90 % Wahrscheinlichkeit und 95 % statistischer Sicherheit gefunden wird. Boeing nutzt stattdessen die bleibende Delltiefe von etwa 0,25 bis 0,5 mm – einzurechnen ist, dass sich Dellen mit der Zeit teilweise zurückstellen.

Die Konsequenz ist streng: Eine Struktur mit BVID muss die höchste nachzuweisende Last (Ultimate Load) über die gesamte Lebensdauer tragen, denn der Schaden kann jahrelang unentdeckt mitfliegen. In der FAA-Schadenssystematik ist das Kategorie 1 – die Zulassungslogik, nach der Composite-Flugzeugstrukturen ausgelegt werden.

Warum ausgerechnet die Druckfestigkeit einbricht

Unter Zug hängen die Fasern auch nach der Lagentrennung noch im Lastpfad. Unter Druck fehlt dem abgelösten Teilpaket die seitliche Abstützung: Es beult aus wie ein zu dünnes Blech, und das Beulen reißt die Ablösung an ihrer Front weiter auf – der Schaden treibt sich selbst voran. Nach einem Schlag sind deshalb zuerst Druck- und Schwingfestigkeit in Gefahr, kaum die Zugfestigkeit.

Die CAI-Prüfung: erst schlagen, dann drücken

Gemessen wird die Schadenstoleranz im CAI-Versuch – Compression After Impact, die Restdruckfestigkeit nach definiertem Schlag – in drei Phasen: Ein Fallwerk setzt den Impact mit festgelegter Energie (ASTM D7136), der Schaden wird zerstörungsfrei vermessen, danach folgt der Druckversuch bis zum Bruch (ASTM D7137). Der Standardprobekörper misst 100 × 150 mm bei nominell 5 mm Dicke; die Norm schreibt einen quasiisotropen Aufbau vor – in allen Ebenenrichtungen annähernd gleich steif.

Das Wichtigste steht im Kleingedruckten: Die Ergebnisse gelten für die geprüfte Geometrie, den Lagenaufbau und die Prüfenergie – übertragbar sind sie nicht. Eine allgemeingültige Zahl, wie viel Festigkeit „ein Composite“ nach einem Schlag verliert, gibt es deshalb nicht; jede Prozentangabe hängt an ihrer Messkampagne.

Die DLR-Kampagne: 15 Joule auf 2D- und 3D-Gewebe

Genau hier setzt die Arbeit an, die 2026 den Peter-Dornier-Stiftungspreis erhielt (vergeben seit 2021, 5.000 Euro je Preisträger). Johanna Buschmann vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wertete darin eine Materialcharakterisierungskampagne mit dreidimensional gewebten CFK-Preforms aus, also mit trockenen, fertig in Form gebrachten Faserrohlingen.

Das Kernergebnis: Nach einem Impact mit 15 Joule (J) Prüfenergie – das entspricht etwa einem größeren Hagelkorn – verlor das 2D-Köpergewebe-Referenzlaminat (Kürzel REF04) rund 54 % seiner Druckfestigkeit. Die beiden 3D-Gewebevarianten Layer-to-Layer (LTL10, Bindfäden verbinden benachbarte Lagen) und Angle-Interlock XY (AIXY04, Bindfäden kreuzen schräg durch die Dicke) verloren nur 28 bis 40 %.

Anders gerechnet: Die 2D-Referenz behielt weniger als die Hälfte ihrer Druckfestigkeit, die 3D-Gewebe drei Fünftel bis fast drei Viertel. Zwei Fachmedien berichteten die Zahlen übereinstimmend; absolute Werte sind nicht publiziert, übertragbar sind die Prozente ohnehin nicht. Ebenfalls ausgezeichnet wurde – gleichrangig – Dr.-Ing. Benedikt Neitzel (TU Ilmenau) für Porenminimierung im RTM-Verfahren.

3D-Weben in Serie: die Fanblades des LEAP-Triebwerks

3D-verstärkte Bauteile sind keine Laborware mehr. Das prominenteste Beispiel: die Fan-Schaufeln des LEAP-Triebwerks von CFM International aus 3D-gewebten Carbon-Preforms, getränkt im RTM-Verfahren – Harzinjektion in eine geschlossene Form – und mit aufgeklebter Titan-Vorderkante. Nach Branchenberichten kommt das Triebwerk mit 18 solcher Blades von zusammen 76 kg aus, wo der Vorgänger CFM56 je nach Variante 24 bis 36 Titanschaufeln brauchte.

Gefertigt wird in drei Werken von Albany Engineered Composites und Safran in den USA, Frankreich und – 2018 offiziell eingeweiht – Mexiko; allein das jüngste Werk steht nach Unternehmensangaben für rund 100 Millionen US-Dollar Investition und über 20.000 Blades Jahreskapazität.

Auch die Maschinen sind Serienstand – und deutscher Textilmaschinenbau: Auf der TRITOS-PP-Linie von Lindauer DORNIER entstehen 3D-Gewebe bis 100 mm Dicke, die neuere TRITOS FLEX bedient mit bis zu 50 mm kleinere Serien; der Hersteller bewirbt die Gewebe mit „hervorragendem Impactverhalten und hoher Schadenstoleranz“.

Tufting, Z-Pinning, Nähen: Verstärkung in Dickenrichtung nachrüsten

Auch ein klassischer 2D-Lagenaufbau lässt sich nachträglich in Dickenrichtung verstärken – dort, wo sonst nur das Harz trägt. Der Glossareintrag Delamination nennt die Verfahren im Überblick, hier die Vertiefung:

• Z-Pinning: Dünne pultrudierte Stifte aus Kohlenstofffaser in Bismaleimidharz – in der ausgewerteten RMIT-Studie 0,28 mm stark – werden ultraschallgestützt ins noch unausgehärtete Prepreg – das vorimprägnierte Halbzeug – getrieben. Die Delaminationszähigkeit unter Modus I (Aufklaffen der Rissflanken) stieg um bis zu knapp 500 % bei 2 % Pingehalt auf rund 7 kJ/m²; mehr Pins brachten keinen Zugewinn.
• Tufting: Ein Faden wird ohne Gegenhalter einseitig ins trockene Preform eingenäht. Unter Schub zwischen den Lagen (Modus II) brachte das bis zu 12 % mehr interlaminare Scherfestigkeit; ein zu grobes 9-mm-Raster kippte teils ins Negative – die Dichte muss zum Bauteil passen.
• Nähen (Stitching): Eine durchgehende Naht verriegelt das trockene Textil in Dickenrichtung. Sie verhindert eine Delamination nicht, sondern begrenzt ihre Ausbreitung; Studien berichten steigende Restdruckfestigkeit mit wachsender Stichdichte.

Serienbeleg aus der Militärluftfahrt: In der F/A-18E/F Super Hornet ersetzen Z-Pins Titan-Verbindungselemente in Fügestellen der Composite-Struktur – einem Bericht von 2001 zufolge über 80.000 US-Dollar und 17 kg Ersparnis pro Flugzeug.

Der Preis: Faserwelligkeit kostet In-plane-Werte

Gratis ist keine dieser Verstärkungen. Jeder Stift und jeder Bindfaden verdrängt die tragenden Fasern in der Ebene und zwingt sie in Wellen – im Glossar als Ondulation beschrieben. Bei Z-Pins kommt ein mittlerer Faser-Umlenkwinkel von rund 4 Grad plus harzreiche Zonen um jeden Stift zusammen; die Steifigkeit in der Ebene sinkt meist nur um 5 bis 15 %.

Bei der Festigkeit wird es deutlicher: Mit 4 % Pingehalt sank sie in derselben Auswertung im Mittel um ein Fünftel. Am härtesten trifft es unidirektionale Laminate mit parallel liegenden Fasern – rund 270 N/mm² weniger Zugfestigkeit je Prozent Pingehalt, bei knapp 1.700 N/mm² Ausgangsfestigkeit der Studie also etwa ein Sechstel je Prozent; quasiisotrope Aufbauten verloren nur gut ein Fünftel davon. Eine weitere Messreihe mit dickeren 0,5-mm-Pins dokumentiert der Glossareintrag Delamination.

Für 3D-Gewebe gilt derselbe Zielkonflikt: Die Bindfäden ondulieren die Garne in der Ebene. Eine Vergleichsstudie dreier 3D-Carbon-Architekturen zeigt: Orthogonale Gewebe mit gestreckten (non-crimp) Garnen schneiden in der Ebene deutlich besser ab als stark gekrümmte Bindungen. Impact-Toleranz wird stets gegen In-plane-Werte eingekauft – die Architektur bestimmt den Wechselkurs.

Werkzeug, Schotter, Hagel: die Auslegungsfälle beider Branchen

Im Flugbetrieb stammen Impacts mit niedriger Geschwindigkeit laut einer EASA-Studie vor allem aus Handhabungs- und Wartungsfehlern samt fallender Werkzeuge; dazu kommen Hagel und Fremdkörper wie Rollbahn-Schotter. Hagel im Flug ist ausdrücklich nicht zwingend „low velocity“.

In der Windenergie ist Niederschlag sogar ein Lebensdauerthema: Bei 90 m/s Blattspitzengeschwindigkeit hält eine ungeschützte Blattvorderkante rechnerisch nur 1,6 Jahre durch – gegen die auf gut zwei Jahrzehnte ausgelegte Turbinenlebensdauer –, der Großteil des Schadens fällt in kurzen Extremregen-Ereignissen an; Mechanismus und Schutzsysteme behandelt das Dossier zum Erosionsschutz von Blattvorderkanten im Detail. Ein „Erosion Safe Mode“ – Tempo raus bei Starkregen – streckt die Vorderkante je nach Strategie auf 10 bis 107 Jahre: Schadenstoleranz ist eben auch eine Betriebsfrage.

Folgen für Preform und Fertigungskette

Für die Fertigung heißt 3D-Verstärkung vor allem: weg vom Prepreg-Stapel, hin zum trockenen Vorformling. Ein 3D-Gewebe ist ein direktes Preform-Verfahren – der textile Rohling bringt seine Dickenverstärkung mit und wird anschließend im RTM oder per Infusion getränkt. Damit wandert Wertschöpfung in die Preform-Fertigung mit ihren Drapier- und Formwerkzeugen, die dickere, steifere Textilien kompaktieren und durchtränken muss als ein klassisches Gelege. Z-Pinning bleibt dagegen eine Prepreg-Technologie.

Wie ein entdeckter Schaden fachgerecht instand gesetzt wird, zeigt die Anleitung zum Schäften beschädigter Laminate; wie versteckte Schäden ans Licht kommen, das Dossier zur zerstörungsfreien Prüfung von Composites.