Industrie 4.0 Digitaler Werkstoff

Redakteur: Linda Kuhn

Neue Werkstoffe sind ein entscheidender Treiber beim Entwickeln von Produkten im verarbeitenden Gewerbe. Fraunhofer schafft dazu eine Plattform: Der Materials Data Space stellt unternehmensübergreifend digitale Daten zu Materialien und Werkstoffen entlang der Wertschöpfungskette bereit. Durch die Vernetzung würden kürzere Entwicklungszeiten, lernende Fertigungsverfahren und neue Geschäftsmodelle möglich sein, zudem würden sich Potenziale für die Material- und Produktionseffizienz sowie das Recycling ergeben.

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Die Werkstoffe zum Sprechen bringen: Als Grundlage der digitalisierten Materialforschung für die Industrie 4.0 hat Fraunhofer den Materials Data Space konzipiert.
Die Werkstoffe zum Sprechen bringen: Als Grundlage der digitalisierten Materialforschung für die Industrie 4.0 hat Fraunhofer den Materials Data Space konzipiert.
(Bild: Fraunhofer-Verbund Materials)

Industrie 4.0 ist auf die passenden Materialien und Werkstoffe angewiesen. Schätzungen zufolge basieren schon heute bis zu 70 % aller neuen Erzeugnisse auf neuen Werkstoffen. Für die 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 Kundenwünschen möglich machen – kostengünstig, mit hoher Qualität und bei kurzen Innovationszyklen.

Zukünftig sich autonom bewegende Werkstücke?

Um dafür die Grundlagen zu schaffen, hat der Fraunhofer-Verbund Materials, der aus 15 materialwissenschaftlich orientierten Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft besteht, das Konzept des Materials Data Space entwickelt. Die Plattform stelle alle relevanten Informationen zu den Werkstoffen und Bauteilen digitalisiert und unternehmensübergreifend zur Verfügung. Der Verbund will es Entwicklern und Ingenieuren ermöglichen, 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.

«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 Bruttoproduktionswertes und damit deutlich höher als beispielsweise der Energiekostenanteil», erklärt Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft.

Durchgängige Datenversorgung

Daten zu einem Werkstoff oder Bauteil stehen im Materials Data Space 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 könnten sich selbst organisierende, unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke etablieren, die sich nach unterschiedlichen Kriterien wie Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch anpassen 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.

Notwendige Angabe: Mikrostruktur

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, 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 zur Abnutzung. 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.

Dieser Artikel erschien zuerst auf unserem Partnerportal SMM Schweizer MaschinenMarkt.

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