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27.04.2016

Passende Materialien und Werkstoffe für Industrie 4.0

Fraunhofer stellt Materials Data Space vor

Der Fraunhofer-Verbund Materials stellte heute ein neues Konzept zur Etablierung von Industrie 4.0 auf der Hannover Messe vor. Der Materials Data Space stellt unternehmensübergreifend digitale Daten zu Materialien und Werkstoffen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bereit. Durch die Vernetzung sollen kürzere Entwicklungszeiten, lernende Fertigungsverfahren und neue Geschäftsmodelle ermöglicht werden, zudem könnten sich Potenziale für Materialeffizienz, Produktionseffizienz und Recycling ergeben.

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.

Kompetenz und Synergien aus 15 Fraunhofer-Instituten

Um maßgeschneiderte Produkte nach individuellen Kundenwünschen effizient zu produzieren, hat der Fraunhofer-Verbund Materials, der die Kompetenzen von 15 materialwissenschaftlich orientierten Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft bündelt, das Konzept des Materials Data Space entwickelt. "Der Materials Data Space stellt alle relevanten Informationen zu den Werkstoffen und Bauteilen digitalisiert in einer leistungsfähigen und unternehmensübergreifenden Plattform zur Verfügung", beschreibt Prof. Dr. Peter Elsner, Vorsitzender des Verbunds die Initiative.

"Im Industrial Data Space schaffen wir einen sicheren Datenraum für Wertschöpfungsnetzwerke. Mit dem Materials Data Space fügen wir die Material- und Werkstoffdaten der an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen hinzu", erklärt Prof. Dr. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, und ergänzt: "Die Entwicklung neuer 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 und 55% des Bruttoproduktionswerts und damit deutlich höher als beispielsweise der Energiekostenanteil."

Sprechende Werkstoffe

Daten zu einem Werkstoff beziehungsweise Bauteil sollen im Materials Data Space durchgängig über den gesamten Lebenszyklus zur Verfügung stehen, 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 (BMBF) geförderten Projekts zum Industrial Data Space entwickelt und pilotiert werden.

"Wir bringen die Werkstoffe zum Sprechen. Sie können uns 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", erläutert Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn, der das Projekt koordiniert. "Die Materialien und Werkstoffe sagen uns beispielsweise: Ich bin noch fünf Jahre lang voll belastbar, erst dann treten Ermüdungserscheinungen auf. Wenn man Element A, das in mir steckt, durch Element B ersetzt, kann ich bei viel niedrigeren Temperaturen hergestellt werden. Oder aber: Ich bin hierfür nicht mehr zu gebrauchen, aber meine Eigenschaften qualifizieren mich perfekt zur Weiterverarbeitung als X", umreißt er die Möglichkeiten.

Mikrostruktur als Basis für 4.0-Fähigkeit

Entscheidend dafür, die Werkstoffe Industrie 4.0-fähig zu machen, ist die Kenntnis ihrer Mikrostruktur. Ziel der Forscher ist es, sie in digitale Materialmodelle umzusetzen, die 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 der Materials Data Space 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 neuer Geschäftsmodelle werden.

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