Der Werkstoff wird digital

Werkstoffe 04. 08. 2016
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Industrie 4.0 ist auf die passenden Materialien und Werkstoffe angewiesen. Fraunhofer schafft dazu eine Plattform: Der Materials Data Space stellt unternehmensübergreifend digitale Daten zu Materialien und Werkstoffen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bereit. Durch die Vernetzung werden kürzere Entwicklungszeiten, lernende Fertigungsverfahren und neue Geschäftsmodelle möglich, zudem ergeben sich enorme Potenziale für Materialeffizienz, Produktionseffizienz und Recycling. Der Fraunhofer-Verbund Materials hat ein entsprechendes Konzept vor kurzem vorgestellt.

Neue Werkstoffe sind der entscheidende­ Treiber bei der Entwicklung von innovativen Produkten im verarbeitenden Gewerbe. Schätzungen zufolge basieren schon heute bis zu 70 Prozent aller neuen Erzeugnisse auf neuen Werkstoffen. Für Industrie 4.0, die enge Verzahnung der Produktion mit der modernen Informations- und Kommunikationstechnik, wird die Bedeutung der Werkstoffe noch steigen. Sie sollen maßgeschneiderte Produkte nach indi­viduellen Kundenwünschen möglich machen, kostengünstig, mit hoher Qualität und bei kurzen Innovationszyklen.

Um dafür die Grundlagen zu schaffen, hat der Fraunhofer-Verbund Materials, der die Kompetenzen von 15 materialwissenschaftlich orientierten Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft bündelt, das Konzept des Materials Data Space entwickelt. Wie Prof. Dr. Peter Elsner, Vorsitzender des Verbunds, die Initiative beschreibt, stellt der Materials Data Space alle relevanten Informationen zu den Werkstoffen und Bauteilen digitalisiert in einer leistungsfähigen und unternehmensübergreifenden Plattform zur Verfügung. Damit soll e-Entwicklern und Ingenieuren ermöglicht werden, die eingesetzten Werkstoffe in den jeweiligen Entwicklungsschritten als variable Systeme mit einstellbaren Eigenschaften zu begreifen und zu nutzen. Am Ende der Entwicklung könnte ein virtueller Raum stehen, in dem sich Werkstücke und Produkte autonom bewegen, das heißt in Wechselwirkung mit den Herstellungs- und Bearbeitungsmaschinen und -anlagen stehen und ihren eigenen Gestehungsprozess steuern.

Fraunhofer stellt auf Basis des Industrial Data Space eine weitere zentrale Säule für eine erfolgreiche Industrie 4.0 bereit. Nach Ansicht von Prof. Dr. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, wird im Industrial Data Space ein sicherer Datenraum für Wertschöpfungsnetzwerke­ geschaffen und mit dem Materials Data Space die Material- und Werkstoffdaten der an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen hinzugefügt. Die Entwicklung von neuen Materialien, die fit für Industrie 4.0 sind, wäre ein entscheidender Wettbewerbsvorteil für die deutsche Industrie. Denn der Materialkostenanteil liegt im verarbeitenden Gewerbe zwischen 35 Prozent und 55 Prozent des Bruttoproduktionswerts und damit deutlich höher als beispielsweise der Energiekostenanteil.

Daten zu einem Werkstoff beziehungsweise zu einem Bauteil stehen im Materials Data Space durchgängig über den gesamten Lebenszyklus zur Verfügung, vom Materialentwickler über den Werkstoff-, Halbzeug- und Bauteilhersteller bis hin zum Endnutzer und zum strategischen Recycling. An jedem Schritt des Prozesses werden in Echtzeit die dynamischen Materialeigenschaften erfasst und in den Materials Data Space eingespeist. Durch die Vernetzung können sich selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke etablieren, die sich nach unterschied­lichen Kriterien, wie Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch, optimieren lassen. Informationstechnisches Fundament des Materials Data Space sind Datendienste, die derzeit im Rahmen des vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts zum Industrial Data Space entwickelt und pilotiert werden.

Die Werkstoffe können nach Aussage des Projektkoordinators Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn zu jedem Zeitpunkt ihre Eigen­schaften mitteilen. Diese Informationen stehen im Materials Data Space zur Verfügung und helfen beispielsweise, den Materialverbrauch zu senken, die Entwicklung neuer Werkstoffe zu beschleunigen, den Herstellungsprozess zu optimieren, Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu steigern oder zu erkennen, bei welchen Produkten sich das Recycling lohnt, so die Idee der Arbeitsgruppe. Weitere Informationen zu den Materialien und Werkstoffen betreffen beispielsweise die mögliche Belastbarkeit bis zum Auftreten von Ermüdungserscheinungen oder die Einsparpotenziale infolge von Werkstoffänderungen mit geringeren Verarbeitungskosten.

Entscheidend dafür, die Werkstoffe selbst Industrie-4.0-fähig zu machen, ist die Kenntnis ihrer Mikrostruktur. Ziel der Forscher ist es, sie in digitale Materialmodelle­ umzusetzen, welche zu Startpunkten für durchgängige Prozesskettensimulationen werden. Der Materials Data Space ist ein Baukasten, aus dem die Experten für Material- und Werkstoffinnovationen oder -optimierungen neue Module entnehmen oder neu verknüpfen können. Zugleich wird er mit seinem Datenbestand zum Gedächtnis des Werkstoffs.

Neben den Angaben zur Mikrostruktur fließen in den Materials Data Space auch die Informationen von Werkstoffen und Bauteilen ein, die mit sensorischen Eigenschaften versehen sind. Sie können ihren aktuellen Zustand selbst erfassen, etwa zum Abnutzungszustand. Diese Daten geben die Werkstoffe eigenständig an Herstellungs-, Bearbeitungs- und Montagemaschinen weiter, die dann darauf reagieren können.

Zugleich berücksichtigt die Plattform Daten von adaptiven Bauteilen, die sich aufgrund der eigenermittelten oder der vom Gesamtsystem signalisierten Belastungs­situation anpassen. So entstehen lernende­ Fertigungsverfahren, in denen die Prozesse stets optimal auf die Eigenschaften der jeweils eingesetzten Materialien zugeschnitten sind. Nicht zuletzt können die Daten selbst zur Grundlage von neuen Geschäftsmodellen werden.

Viele deutsche Unternehmen, darunter auch Mittelständler, haben deshalb bereits Interesse an Use-Cases zum Aufbau und zur Nutzung des Materials Data Space signalisiert. Gemeinsam mit Industriepartnern sollen zunächst drei Pilotprojekte im Bereich der Automobilindustrie umgesetzt werden. Konkret geht es dort um Metalle, Faserverbundwerkstoffe sowie Funktionsmaterialien und deren Recycling.

Der Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile – Materials bündelt die Kompetenzen der 15 materialwissenschaftlich orientierten Institute der Fraunhofer-Gesellschaft. Materialforschung bei Fraunhofer umfasst die gesamte Wertschöpfungskette, von der Entwicklung neuer und der Verbesserung bestehender Materialien über die Herstelltechnologie im industrienahen Maßstab, die Charakterisierung der Eigenschaften bis hin zur Bewertung des Einsatzverhaltens. Entsprechendes gilt für die aus den Materialien hergestellten Bauteile und deren Verhalten in Systemen. Mit Schwerpunkt setzt der Verbund sein Know-how in den volkswirtschaftlich bedeutenden Handlungsfeldern Energie, Gesundheit, Mobilität, Informations- und Kommunikationstechnologie sowie Bauen und Wohnen ein, um über maßgeschneiderte Werkstoff- und Bauteilentwicklungen Systeminnovationen zu realisieren. Materials ist der größte Verbund innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft mit über 2500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und einem Jahresbudget von über 500 Millionen Euro.

 

Text zum Titelbild: Grundlage für Industrie 4.0 ist eine Digitalisierung der Materialforschung; dazu hat Fraunhofer den Materials Data Space konzipiert (Bild: Fraunhofer)

Fraunhofer-Präsident Reimund Neugebauer, Bundesministerin Johanna Wanka, IMWS-Instituts­leiter Ralf Wehrspohn und Michael Totzeck von Zeiss (v. li.) bei der Präsentation des Materials Data Space auf der diesjährigen Hannover Messe
Bild: Fraunhofer

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