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27-11-2020 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Im Fokus | Article

Digitale Werkstoff-Zwillinge für die Industrie 4.0

Author:
Dieter Beste
2:30 min reading time

Die prozessübergreifende Verknüpfung von Materialdaten war bislang ein schweres Handicap in Fertigungsprozessen. In einem Forschungsprojekt gelang es nun, Werkstoff bezogene Daten in einem durchgängigen Datenraum zu strukturieren.

Materialeigenschaften und Bauteilqualität stehen in einer Wechselbeziehung, wobei sich im Laufe eines Fertigungsprozesses die Materialeigenschaften verändern können. "Die Festlegung der Kennwerte für die mechanischen Kurz- und Langzeiteigenschaften setzt eine genaue Kenntnis des Werkstoffes, der verwendeten Fertigungsverfahren und der geplanten Einsatzbedingungen voraus", heben etwa die Autoren in "Tragende Kunststoffbauteile" hervor (Seite 19). 

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Um Qualität zu produzieren, müssen bislang produktionsbegleitend dem Prozess immer wieder Proben entnommen und aufwendig geprüft werden. Doch damit fangen die Probleme in der Praxis häufig erst an: "Die Geschichte einer Probe verzweigt sich in viele kleine Äste mit jeweils spezifischen Messergebnissen", berichtet Christoph Schweizer vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg. Die so gewonnenen Materialdaten seien somit aufgrund ihrer Vielschichtigkeit extrem heterogen und änderten sich auch während des Produktlebenszyklus fortlaufend. Auch dass sie lokal innerhalb eines Produkts variierten und teilweise messtechnisch gar nicht zerstörungsfrei zu ermitteln seien, mache ihre Strukturierung, Speicherung und Verknüpfung so anspruchsvoll.

"Wie bekommen wir alle Daten sinnvoll zusammen? Welche Infrastruktur benötigen wir dazu?" Antworten auf solche Fragen, kann Schweizer jetzt mit den Ergebnissen des Forschungsprojektes "MaterialDigital" geben. Gefördert vom Land Baden-Württemberg hatten sich 2018 sieben Forschungseinrichtungen zusammengefunden, um alle Daten mit Materialrelevanz entlang der Herstellungsprozesse durchgängig digital zu vernetzen.  

Pionierarbeit für den Materialdatenraum

Um nun Produkt-, Prozess-, Maschinen- und Sensordaten mit menschlicher Fachexpertise entlang der werkstoffintensiven Wertschöpfungskette zu vernetzten, haben die Forscher während der Projektlaufzeit eine digitale Wissensbasis geschaffen – den Materialdatenraum. Grundlage eines jeden Datenraumes ist eine Ontologie, also eine gemeinsame Sprachregelung, die sicherstellt, dass alle Daten sich eindeutig einordnen lassen. Im Landesprojekt nutzten die Forscher vorhandene Ontologien als Grundlage und ergänzten das umfangreiche Fachvokabular der Werkstofftechnik. Sodann galt es, die Daten innerhalb des Datenraums mithilfe von Wissensgraphen, der Daten logisch miteinander verbindet, in Beziehung zu setzen. 

Digitaler Zwilling hilft, Trial-and-Error zu vermeiden

"Übergeordnetes Ziel des Vorhabens war es, anhand zweier konkreter Use Cases zu zeigen, dass Werkstoffe in digitale Wertschöpfungsketten im Sinne von Industrie 4.0 integriert werden können", heißt es im Abschlussbericht. Der vom Fraunhofer IWM koordinierte Anwendungsfall betraf den Kokillenguss von Aluminiumteilen. Mithilfe realer Material- und Prozessdaten haben die Forscher im Projekt zeigen können, wie mit einem Digitalen Zwilling aufwendige Simulationen umgangen und gleichzeitig die Bauteileigenschaften präzise vorhergesagt werden können. Und ganz allgemein: "Auf Basis von Datenraumabfragen können in materialintensiven Betrieben schnelle und präzise Entscheidungen getroffen werden, anstatt teure und zeitraubende Trial-and-Error-Schleifen drehen zu müssen", sagt Gesamtprojektkoordinator Christoph Schweizer. Und: "Unsere Datenraum-Architektur ist so konzipiert, dass sie sich problemlos auf andere Materialprozesse übertragen lässt". Werkzeuge und Workflows stünden potenziell interessierten Unternehmen zur Verfügung, um sie an ihre jeweiligen Bedürfnisse anzupassen. Die im Projekt-Anwendungsfall des Aluminiumgussprozesses strukturierten Materialdaten will das Konsortium als Best-Practice Beispiel zur wissenschaftlichen Nachnutzung veröffentlichen.


 

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