Ein Prüfbericht beschreibt einen einzigen Zustand: den bei der Auslieferung. Über alles, was danach kommt – Betriebslasten, Schläge beim Handhaben, Feuchte, Ermüdung –, sagt er nichts. Structural Health Monitoring (SHM), deutsch Zustandsüberwachung, verschiebt deshalb den Messpunkt: Die Sensorik bleibt im Bauteil und misst weiter, während es benutzt wird. Welches Prüfverfahren welchen Fehler am fertigen Teil findet, ordnet der Leitartikel zur Qualitätssicherung. Schon dort ergänzen sich Verfahren notgedrungen: An einer 2 mm dicken CFK-Platte verlor Phased-Array-Ultraschall die oberflächennahe Ebene bei 0,2 mm Tiefe in der Totzone unter dem Prüfkopf; die Pulsthermografie zeigte genau diese Ebene, fand die Einschlüsse bei 0,8 mm Tiefe aber nur noch andeutungsweise und bei 1 mm gar nicht mehr, weil die Wärme so tief nicht mehr eindringt (Torbali u. a., Materials 2024). Im Betrieb wiederholt sich das Muster – nur teilen sich die Sensoren nicht Tiefenbereiche, sondern Fragen.
Zwei Betriebsarten, zwei verschiedene Fragen
Passive Systeme horchen und melden, wann etwas passiert ist. Aktive Systeme senden ein Signal, empfangen es an anderer Stelle und vergleichen es mit einer Referenz – sie melden, wo sich etwas geändert hat. Die Dehnungsmessung meldet stattdessen, wie viel Last das Bauteil gesehen hat.
| Bauart | Messprinzip | Meldet | Bedingung im Betrieb |
|---|---|---|---|
| Faser-Bragg-Gitter, faseroptisch | die reflektierte Wellenlänge wandert mit Dehnung, Temperatur und Feuchte | Lastverlauf, Lastwechselzahl, bleibende Verformung | misst nur entlang der Faserlinie; die Ursachen sind zu trennen |
| Schallemission (AET), passiv | Piezosensoren hören die Spannungswelle eines Risses | Ereignisse: Matrixriss, Faser-Matrix-Ablösung, Faserbruch, grob geortet | nur unter Last; ein unbelastetes Bauteil schweigt |
| Geführte Wellen mit Piezo-Elementen, aktiv | ein Element sendet, andere empfangen und vergleichen mit einer Referenz | neue Reflektoren zwischen den Elementen | braucht gültigen Nullzustand und Temperaturkorrektur |
Faser-Bragg-Gitter: was die Faser wirklich misst
Ein in den Faserkern eingeschriebenes Brechungsindexmuster reflektiert genau eine Wellenlänge; dehnt sich die Faser, wandert sie. Der Messtechnikhersteller Tempsens gibt dafür rund 1,02 Pikometer je Mikrodehnung und rund 11,5 Pikometer je Kelvin an – damit steht das Kernproblem im Datenblatt: Eine Messstelle liefert eine Zahl mit zwei Ursachen. Im Harz kommt die Quellung durch Feuchteaufnahme als dritte hinzu; eine Arbeitsgruppe des Politecnico di Milano trennt die drei erst über drei unterschiedlich gefasste Gitter nebeneinander (Aceti u. a., Sensors 2025). Wer eine einzelne Faser einlaminiert und ihre Wellenlängenverschiebung als Dehnung liest, misst die Summe.
Die Faser selbst ist klein: 0,125 mm Manteldurchmesser, etwa die Dicke einer ausgehärteten Prepreg-Lage – das Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen bringt sie im Vorhaben „FBG-Winding“ automatisiert beim Wickeln in Typ-IV-Wasserstoffbehälter ein, nach Institutsangabe nahezu ohne Zusatzmasse. Entscheidend ist die Richtung – parallel zur Verstärkung verdrängt sie fast nichts, quer dazu entsteht eine harzreiche Zone. Das Fraunhofer IFAM hat die Grenze an CFK-Klebverbindungen vermessen (Grundmann u. a., Sensors 2020): In einem rund 90 Mikrometer dicken Klebfilm blieben Fasern unter 100 Mikrometern Gesamtdurchmesser ohne signifikanten Einfluss auf die Zugscherfestigkeit, während Fasern von 140 und 145 Mikrometern die Fuge ausfüllten und die Festigkeit um 9,5 beziehungsweise 12 Prozent senkten. Die Regel daraus: dünner als die Schicht, in der der Sensor liegt.
Schallemission: das Verfahren, das im Betrieb weiterläuft
Unter den klassischen Prüfverfahren der Werkstatt lässt sich nur die Schallemissionsprüfung ohne Umbau in ein Betriebssystem verwandeln: Der Sensor ist ohnehin fest appliziert, und sie schallt nichts ein, sondern hört zu. Jede plötzliche Gefügeänderung – Matrixriss, Faser-Matrix-Ablösung, Faserbruch, Delamination – setzt elastische Energie frei, die als Spannungswelle durch das Laminat läuft; weil sie weit trägt, decken wenige Sensoren große Flächen ab; Laufzeitunterschiede orten die Quelle. Der Preis steckt im Prinzip: Ohne Last keine Emission. Ein ruhendes Bauteil schweigt, und ein längst vorhandener Defekt meldet sich nicht von selbst.
Ausgewertet wird deshalb das Verhalten über Lastzyklen. Nach dem Kaiser-Effekt verhält sich ein Werkstoff beim Wiederbelasten elastisch und bleibt still, bis die zuvor erreichte Höchstlast überschritten ist. Setzt die Emission schon darunter wieder ein, heißt das Felicity-Effekt; das Felicity-Verhältnis beziffert, bei welchem Bruchteil der früheren Höchstlast das geschieht (NDT-Enzyklopädie, ndt.net). Ein Wert unter 1 sagt damit, dass sich seit dem letzten Zyklus etwas verändert hat. Genormt ist das bis in den GFK-Behälterbau: DIN EN 15857 (Mai 2010) regelt Vorgehen und Bewertungskriterien für faserverstärkte Polymere, ASTM E1067/E1067M-25 die Prüfung neuer wie gebrauchter GFK-Tanks mit über 15 Gewichtsprozent Glasgehalt, und ISO/TS 19016 von 2019 die modale Schallemissionsprüfung als wiederkehrende Prüfung von Composite-Druckgasflaschen.
Wo sich fest verbaute Sensorik rechnet
Der gemeinsame Nenner tragfähiger Anwendungsfälle ist nicht der Werkstoff, sondern der Zugang. Bei Wasserstoff-Druckbehältern im Fahrzeug beschränkt sich die vorgeschriebene Prüfung im Betrieb nach Darstellung der Projektbeteiligten auf eine Sichtprüfung auf äußere Beschädigungen; als Folge nennt die Fraunhofer-Gesellschaft den unnötigen Austausch noch brauchbarer Tanks. Im Verbundprojekt HyMon entwickeln das Fraunhofer LBF, FEV Europe, Hexagon Purus, die RWTH Aachen und weitere Partner mit Förderung des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr eine bordeigene Überwachung, in der Schallemissionssensoren Faserbrüche im gewickelten Behälter zählen: „Nimmt die Rate an Faserbrüchen plötzlich zu, so ist das ein Indiz, dass der Wasserstofftank am Ende seiner Nutzungszeit ist“, erklärte Johannes Käsgen vom Fraunhofer LBF im September 2023.
Im Rotorblatt kommt der Blitzschutz hinzu: Elektrische Messleitungen sind dort ein Problem, Lichtwellenleiter nicht. Das VDI Zentrum Ressourceneffizienz führt die faseroptische Blattlastmessung als seit 2012 am Markt verfügbare Technologie und nennt, nach Berechnungen des Herstellers fos4X, 5 bis 6 Prozent niedrigere Stromgestehungskosten – gerechnet aus materialsparender Blattauslegung, verlängerter Betriebsdauer und individueller Pitch-Regelung; welcher der drei Wege wie viel beiträgt, schlüsselt die Quelle nicht auf. Ob die Überwachung nach einer Instandsetzung noch dasselbe aussagt, prüft seit August 2022 das Vorhaben MMRB-Repair-Care (Wölfel Engineering, Fraunhofer IWES) an zwei Blättern von 30 und 60 Metern Länge, vor und nach dokumentierten Reparaturen.
In der Luftfahrt ist der Nutzen weniger die eingesparte Inspektion als das eingesparte Material, und der Weg dahin führt über die Sicherheitsbeiwerte: Weil sich Schäden im Faserverbund schlecht erkennen lassen, werden die zulässigen Dehnungen bislang mit Abminderungsfaktoren beschnitten – meldet eine Überwachung die Schäden, lassen sich diese Faktoren heraufsetzen und die Struktur dünner bauen. Martin Wiedemann vom DLR beziffert das in „Systemleichtbau für die Luftfahrt“ (Springer, 2022) am Beispiel eines Seitenleitwerks auf mindestens 5 Prozent Gewichtseinsparung, das Gewicht des Überwachungssystems eingerechnet (Zulassungslogik der Luftfahrt). Eine Literaturauswertung des Politecnico di Milano (Ballarin u. a., Sensors 2025) findet in einer der ausgewerteten Arbeiten dieselbe Größenordnung, nennt aber auch die Bedingung: Der Gewinn stellte sich bei schadenstolerant ausgelegten Strukturen ein, während Bauteile, deren Dicke von Stabilitätskriterien bestimmt wird, nichts davon hatten. Eine zweite Arbeit rechnet die Kostenseite: Dort sank der Sicherheitsfaktor von 2,0 auf 1,75, was 2 bis 5 Prozent geringere direkte Betriebskosten ergab, angenommen bei gleichwertiger Leistung und halbierten Wartungskosten. Bei rotierenden Bauteilen ohne Zugang im Betrieb gilt derselbe Gedanke – etwa beim Faserverbund-Schiffspropeller.
Was sie kostet – und wo die wiederkehrende Prüfung besser bleibt
Dieselbe Auswertung ist die nüchternste Quelle zur Gegenseite. Von 17 Studien mit quantitativer Wirtschaftlichkeitsrechnung kamen 10 zu einem positiven, 3 zu einem negativen Ergebnis; die Lücken sind systematisch: Rund 80 Prozent betrachten ausschließlich die Nutzungsphase und damit nicht den Einbau in der Fertigung, und 53 Prozent rechnen mit 100 Prozent Entdeckungswahrscheinlichkeit und null Fehlalarmen – nur 47 Prozent setzen überhaupt realistische Entdeckungsraten an. Keine einzige modellierte die Zuverlässigkeit der Sensorik selbst; überschlägig erhöht eine Ausfallrate von 5 Prozent der Sensoren die Einführungskosten um rund 6 Prozent. Und die Stückzahlen sind groß: Ein durchgerechneter Rumpf trug 9.988 Piezosensoren.
Daraus folgen vier Fälle, in denen die wiederkehrende Prüfung die bessere Antwort bleibt. Schlaggefährdete Bauteile erzeugen so viele Meldungen, dass ein Fehlalarm genau die Inspektion kostet, die man vermeiden wollte (kaum sichtbare Schlagschäden). Billiger Zugang schlägt jede Sensorik: Eine Sichtprüfung von zehn Minuten ist nicht zu unterbieten. Die Flächenfrage bleibt offen – eine Bragg-Faser meldet nur, was entlang ihrer Linie geschieht. Und an jedem System hängt eine Datenspur, die so lange lesbar bleiben muss, wie das Bauteil lebt – das Thema des digitalen Fadens.
Sensorik ist eine Frage des Lagenaufbaus
Ein Sensor im Bauteil ist keine Nachrüstung: Er wird beim Legen eingebaut, und seine Lage wird damit zu einer Angabe im Lagenaufbau, gleichrangig mit Faserorientierung und Lagenzahl. Bei einem Airbus-Bauteilversuch im Werk Illescas (Giraldo u. a., Sensors 2017) kamen faseroptische Sensoren beim automatisierten Tapelegen zwischen die Hautlagen – parallel zur Verstärkung ausgerichtet und über zwei Referenzmarken positioniert, die eigens auf den Fertigungswerkzeugen angebracht waren. Das Werkzeug trägt hier nicht den Sensor, sondern seine Koordinaten – anders als bei Sensoren, die dauerhaft im Werkzeug Fließfront und Aushärtung messen (Sensorik im RTM-Werkzeug).
Die eigentliche Schwachstelle ist die Stelle, an der die Faser das Laminat verlässt: Dort springt die Steifigkeit, und dort geht sie beim Pressen, Entformen und Besäumen verloren. Im Airbus-Aufbau löste das ein mit einlaminierter Steckverbinder: eine Ferrule mit Führungshülse im Laminat, während der Aushärtung durch ein Schutzelement verschlossen. Die Verbinder überstanden Besäumen und Belastungsprüfung; die faseroptisch gemessenen Dehnungen stimmten bei Limit Load auf etwa ±5 Prozent mit elektrischen Dehnungsmessstreifen überein.